Регуляция транскрипции ДНК в РНК: механизмы и факторы

Введение

Контроль преобразования ДНК в РНК в клетках

Control of DNA to RNA conversion in cells
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.

Глоссарий регуляции транскрипции • регуляция транскрипции – контроль скорости транскрипции генов, например, путем содействия или препятствования связыванию РНК-полимеразы с ДНК • транскрипция – процесс синтеза РНК на матрице ДНК с помощью РНК-полимеразы • фактор транскрипции – вещество, такое как белок, которое вносит вклад в возникновение специфической биохимической реакции или биологического процесса • промотор – участок ДНК, инициирующий транскрипцию определенного гена • Сигма-фактор – специализированные бактериальные кофакторы, которые образуют комплекс с РНК-полимеразой и определяют специфичность последовательности • коактиватор – белок, который взаимодействует с транскрипционными факторами для увеличения скорости транскрипции гена • корепрессор – белок, который взаимодействует с транскрипционными факторами для снижения скорости транскрипции гена [ ]

В молекулярной биологии и генетике регуляция транскрипции – это механизм, посредством которого клетка регулирует преобразование ДНК в РНК (транскрипцию), тем самым координируя активность генов. Отдельный ген может регулироваться различными способами, от изменения количества копий РНК, которые транскрибируются, до временного контроля момента транскрипции гена. Этот контроль позволяет клетке или организму реагировать на разнообразные внутри- и внеклеточные сигналы и, таким образом, запускать ответную реакцию. Примеры включают синтез мРНК, кодирующей ферменты для адаптации к изменению источника питания, производство продуктов генов, участвующих в клеточно-циклической активности, и синтез продуктов генов, ответственных за клеточную дифференциацию у многоклеточных эукариот, как это изучается в эволюционной биологии развития. Регуляция транскрипции является жизненно важным процессом во всех живых организмах. Она осуществляется транскрипционными факторами и другими белками, работающими согласованно для точной настройки количества производимой РНК посредством различных механизмов. Бактерии и эукариоты используют различные стратегии для контроля транскрипции, однако некоторые важные особенности сохраняются между ними. Наиболее важной является концепция комбинаторного контроля, согласно которой любой ген, вероятно, контролируется определенной комбинацией факторов, регулирующих транскрипцию. Например, факторы А и В могут регулировать один набор генов, а комбинация факторов А и С – другой. Эта комбинаторная природа распространяется на комплексы, состоящие из более чем двух белков, и позволяет очень небольшому подмножеству (менее 10%) генома контролировать транскрипционную программу всей клетки.

В бактериях

[[Файл:Мальтозный оперон без присутствия мальтозы.png|thumb|365x365px|Мальтозный оперон является примером положительного контроля транскрипции. Когда мальтоза отсутствует в *E. coli*, транскрипция генов мальтозы не происходит, и нет мальтозы, способной связаться с белком-активатором мальтозы. Это препятствует связыванию белка-активатора с участком связывания активатора на гене, что, в свою очередь, препятствует связыванию РНК-полимеразы с промотором мальтозы. Транскрипция не происходит. Хотя степень и сложность регуляции транскрипции выше у эукариот. Бактериальная транскрипция регулируется тремя основными элементами последовательности: промоторы – это элементы ДНК, которые могут связывать РНК-полимеразу и другие белки для успешного инициирования транскрипции непосредственно выше по течению гена. Операторы распознают репрессорные белки, которые связываются с участком ДНК и ингибируют транскрипцию гена. Положительные элементы контроля, которые связываются с ДНК и стимулируют более высокие уровни транскрипции. Хотя эти механизмы регуляции транскрипции также существуют у эукариот, транскрипционный ландшафт значительно сложнее как по количеству вовлеченных белков, так и по наличию интронов и упаковки ДНК в гистоны. Транскрипция основного бактериального гена зависит от силы его промотора и наличия активаторов или репрессоров. При отсутствии других регуляторных элементов, аффинность промотора к РНК-полимеразе, основанная на последовательности, варьируется, что приводит к образованию различных количеств транскрипта. Изменчивая аффинность РНК-полимеразы к различным последовательностям промоторов связана с областями консенсусной последовательности выше по течению от места начала транскрипции. Чем больше нуклеотидов промотора соответствуют консенсусной последовательности, тем выше аффинность промотора к РНК-полимеразе. thumb|363x363px|Когда мальтоза присутствует в *E. coli*, она связывается с активатором мальтозы (#1), что способствует связыванию белка-активатора мальтозы с участком связывания активатора (#2). Это позволяет РНК-полимеразе связываться с промотором *mal* (#3). Затем происходит транскрипция генов *malE*, *malF* и *malG* (#4), когда активаторный белок мальтозы и РНК-полимераза перемещаются вдоль ДНК. *malF* кодирует проникающий белок системы транспорта мальтозы и помогает транслоцировать мальтозу через клеточную мембрану. *malG* кодирует белки транспортной системы и также помогает транслоцировать мальтозу через клеточную мембрану. При отсутствии других регуляторных элементов, состояние бактериальной транскрипции по умолчанию – «включено», что приводит к производству некоторого количества транскрипта. Это означает, что регуляция транскрипции в виде белковых репрессоров и элементов положительного контроля может либо увеличить, либо уменьшить транскрипцию. Репрессоры часто физически занимают местоположение промотора, блокируя связывание РНК-полимеразы. Альтернативно, репрессор и полимераза могут связываться с ДНК одновременно, при этом физическое взаимодействие между репрессором препятствует раскрытию ДНК для доступа к минус-цепочке для транскрипции. Эта стратегия контроля отличается от транскрипции у эукариот, базальное состояние которых – «выключено», и где кофакторы, необходимые для инициирования транскрипции, сильно зависят от генов. Сигма-факторы – это специализированные бактериальные белки, которые связываются с РНК-полимеразами и управляют инициированием транскрипции. Сигма-факторы выступают в качестве посредников специфической транскрипции последовательности, так что один сигма-фактор может быть использован для транскрипции всех генов домашнего хозяйства или набора генов, которые клетка желает экспрессировать в ответ на некоторые внешние стимулы, такие как стресс. В дополнение к процессам, которые регулируют транскрипцию на стадии инициирования, синтез мРНК также контролируется скоростью удлинения транскрипции. Паузы РНК-полимеразы происходят часто и регулируются факторами транскрипции, такими как NusG и NusA, транскрипционно-трансляционной связью и вторичной структурой мРНК.

[[File:Maltose Operon Without Maltose Present. png|thumb|365x365px|The maltose operon is an example of a positive control of transcription. When maltose is not present in E. coli, no transcription of the maltose genes will occur, and there is no maltose to bind to the maltose activator protein. This prevents the activator protein from binding to the activator binding site on the gene, which in turn prevents RNA polymerase from binding to the maltose promoter. No transcription takes place. although the extent and complexity of transcriptional regulation is greater in eukaryotes. Bacterial transcription is governed by three main sequence elements:
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.

У эукариот

Схематическая кариограмма человека, показывающая обзор генома человека при G-окраске, являющейся методом, включающим окрашивание по Giemsa, при котором более светлые области окраски обычно более транскрипционно активны, а более темные – менее активны. Повышенная сложность построения эукариотической клетки влечет за собой увеличение сложности регуляции транскрипции. Эукариоты имеют три РНК-полимеразы, известные как Pol I, Pol II и Pol III. Каждая полимераза имеет специфические мишени и активность и регулируется независимыми механизмами. Существует ряд дополнительных механизмов, посредством которых можно контролировать активность полимеразы. Эти механизмы можно в целом разделить на три основные области:
Контроль доступа полимеразы к гену. Это, пожалуй, самый широкий из трех механизмов контроля. Он включает в себя функции ферментов, ремоделирующих гистоны, факторов транскрипции, энхансеров и репрессоров, а также многих других комплексов.
Продуктивное удлинение РНК-транскрипта. После связывания полимеразы с промотором ей требуется другой набор факторов, чтобы покинуть промоторный комплекс и успешно начать транскрибировать РНК. Терминация полимеразы. Ряд факторов, которые, как было обнаружено, контролируют, как и когда происходит терминация, что определяет судьбу РНК-транскрипта. Все три системы работают согласованно, чтобы интегрировать сигналы от клетки и соответствующим образом изменять программу транскрипции. В то время как в прокариотических системах базальное состояние транскрипции можно рассматривать как нерестриктивное (то есть, «включено» в отсутствие модифицирующих факторов), у эукариот имеется рестриктивное базальное состояние, требующее привлечения других факторов для генерации РНК-транскриптов. Эта разница в значительной степени обусловлена компактизацией эукариотического генома путем наматывания ДНК вокруг гистонов с образованием структур более высокого порядка. Эта компактизация делает промотор гена недоступным без помощи других факторов в ядре, и, следовательно, структура хроматина является распространенным местом регуляции. Подобно сигма-факторам у прокариот, общие факторы транскрипции (GTF) – это набор факторов у эукариот, необходимых для всех транскрипционных событий. Эти факторы отвечают за стабилизацию взаимодействий связывания и открытие ДНК-спирали, чтобы РНК-полимераза могла получить доступ к матрице, но обычно не обладают специфичностью к различным промоторным сайтам. Большая часть регуляции генов осуществляется посредством факторов транскрипции, которые либо рекрутируют, либо ингибируют связывание общего транскрипционного аппарата и/или полимеразы. Это может быть достигнуто посредством тесного взаимодействия с основными промоторными элементами или посредством дистальных энхансерных элементов. После успешного связывания полимеразы с ДНК-матрицей ей часто требуется помощь других белков, чтобы покинуть стабильный промоторный комплекс и начать удлинять зарождающуюся цепь РНК. Этот процесс называется «выходом с промотора» и является еще одним этапом, на котором регуляторные элементы могут действовать для ускорения или замедления процесса транскрипции. Аналогичным образом, белковые и нуклеиновые факторы могут ассоциироваться с комплексом удлинения и модулировать скорость, с которой полимераза движется вдоль ДНК-матрицы.

thumb|Schematic karyogram of a human, showing an overview of the human genome on G banding, which is a method that includes Giemsa staining, wherein the lighter staining regions are generally more transcriptionally active, whereas darker regions are more inactive. The added complexity of generating a eukaryotic cell carries with it an increase in the complexity of transcriptional regulation. Eukaryotes have three RNA polymerases, known as Pol I, Pol II, and Pol III. Each polymerase has specific targets and activities, and is regulated by independent mechanisms. There are a number of additional mechanisms through which polymerase activity can be controlled. These mechanisms can be generally grouped into three main areas:
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.

На уровне хроматинового состояния

У эукариотов геномная ДНК сильно компактирована, чтобы уместиться в ядро. Это достигается путем наматывания ДНК вокруг белковых октамеров, называемых гистонами, что влияет на физическую доступность участков генома в любой момент времени. Значительные участки становятся неактивными посредством модификаций гистонов и, таким образом, недоступны для полимераз или их кофакторов. Наивысший уровень регуляции транскрипции осуществляется путем перестройки гистонов для экспонирования или секвестрирования генов, поскольку эти процессы способны сделать целые области хромосомы недоступными, как, например, при импринтинге. Перестройка гистонов облегчается посттрансляционными модификациями хвостов основных гистонов. Широкий спектр модификаций может осуществляться ферментами, такими как гистон-ацетилтрансферазы (HAT), гистон-метилтрансферазы (HMT) и гистон-дезацетилазы (HDAC), среди прочих. Эти ферменты могут добавлять или удалять ковалентные модификации, такие как метильные группы, ацетильные группы, фосфаты и убиквитин. Модификации гистонов служат для рекрутирования других белков, которые могут либо усиливать компактизацию хроматина и секвестрировать промоторные элементы, либо увеличивать расстояние между гистонами и обеспечивать связывание факторов транскрипции или полимеразы с открытой ДНК. Например, триметилирование H3K27 поликомбным комплексом PRC2 вызывает компактизацию хромосом и подавление генов. Эти модификации гистонов могут быть созданы клеткой или унаследованы от родителя эпигенетическим путем.

На уровне метилирования цитозина

Метилирование ДНК — это добавление метильной группы к ДНК, которое происходит на цитозине. На изображении показано однокольцевое основание цитозина и метильная группа, присоединенная к 5-му углероду. У млекопитающих метилирование ДНК происходит почти исключительно на цитозине, за которым следует гуанин. Регуляция транскрипции примерно у 60% промоторов контролируется метилированием цитозинов в CpG-динуклеотидах (где 5'-цитозин следует за 3'-гуанином, или CpG-сайты). 5-метилцитозин (5 мЦ) является метилированной формой основания ДНК цитозина (см. рисунок). 5 мЦ — это эпигенетический маркер, который преимущественно встречается в CpG-сайтах. В геноме человека содержится около 28 миллионов CpG-динуклеотидов. В большинстве тканей млекопитающих в среднем от 70% до 80% цитозинов CpG метилированы (образуя 5-метилCpG или 5 мCpG). Метилированные цитозины в последовательностях 5'-цитозин-гуанин-3' часто встречаются группами, называемыми CpG-островами. Около 60% последовательностей промоторов содержат CpG-остров, в то время как только около 6% последовательностей энхансеров содержат CpG-остров. CpG-острова представляют собой регуляторные последовательности, поскольку метилирование CpG-островов в промоторе гена может снизить или подавить транскрипцию гена. Метилирование ДНК регулирует транскрипцию генов посредством взаимодействия с белками, содержащими метил-связывающие домены (MBD), такими как MeCP2, MBD1 и MBD2. Эти белки MBD наиболее прочно связываются с сильно метилированными CpG-островами. Эти белки MBD имеют как метил-CpG-связывающий домен, так и домен репрессии транскрипции. Около 94% сайтов связывания факторов транскрипции (TFBS), связанных с генами, реагирующими на сигналы, находятся в энхансерах, в то время как только около 6% таких TFBS находятся в промоторах. В геноме млекопитающих насчитывается около 12 000 сайтов связывания EGR1, и примерно половина сайтов связывания EGR1 находится в промоторах, а половина — в энхансерах. Экспрессия белков транскрипционного фактора EGR1 в различных типах клеток может быть стимулирована факторами роста, нейротрансмиттерами, гормонами, стрессом и повреждениями. Сплайс-изоформа DNMT3A2 ведет себя как продукт классического гена ранней немедленной реакции и, например, она активно и временно продуцируется после активации нейронов. Место, где изоформа ДНК-метилтрансферазы DNMT3A2 связывается и добавляет метильные группы к цитозинам, по-видимому, определяется посттрансляционными модификациями гистонов. С другой стороны, нейронная активация вызывает деградацию DNMT3A1, сопровождающуюся снижением метилирования по крайней мере одного исследованного целевого промотора.

thumb|300px|DNA methylation is the addition of a methyl group to the DNA that happens at cytosine. The image shows a cytosine single ring base and a methyl group added on to the 5 carbon. In mammals, DNA methylation occurs almost exclusively at a cytosine that is followed by a guanine. Transcription regulation at about 60% of promoters is controlled by methylation of cytosines within CpG dinucleotides (where 5’ cytosine is followed by 3’ guanine or CpG sites). 5 methylcytosine (5 mC) is a methylated form of the DNA base cytosine (see Figure). 5 mC is an epigenetic marker found predominantly within CpG sites. About 28 million CpG dinucleotides occur in the human genome. In most tissues of mammals, on average, 70% to 80% of CpG cytosines are methylated (forming 5 methylCpG or 5 mCpG). Methylated cytosines within 5’cytosine guanine 3’ sequences often occur in groups, called CpG islands. About 60% of promoter sequences have a CpG island while only about 6% of enhancer sequences have a CpG island. CpG islands constitute regulatory sequences, since if CpG islands are methylated in the promoter of a gene this can reduce or silence gene transcription. DNA methylation regulates gene transcription through interaction with methyl binding domain (MBD) proteins, such as MeCP2, MBD1 and MBD2. These MBD proteins bind most strongly to highly methylated CpG islands. These MBD proteins have both a methyl CpG binding domain as well as a transcription repression domain. About 94% of transcription factor binding sites (TFBSs) that are associated with signal responsive genes occur in enhancers while only about 6% of such TFBSs occur in promoters. There are about 12,000 binding sites for EGR1 in the mammalian genome and about half of EGR1 binding sites are located in promoters and half in enhancers. Expression of EGR1 transcription factor proteins, in various types of cells, can be stimulated by growth factors, neurotransmitters, hormones, stress and injury. The splice isoform DNMT3A2 behaves like the product of a classical immediate early gene and, for instance, it is robustly and transiently produced after neuronal activation. Where the DNA methyltransferase isoform DNMT3A2 binds and adds methyl groups to cytosines appears to be determined by histone post translational modifications. On the other hand, neural activation causes degradation of DNMT3A1 accompanied by reduced methylation of at least one evaluated targeted promoter.

Факторы транскрипции

Факторы транскрипции – это белки, которые связываются с определенными последовательностями ДНК для регуляции экспрессии гена. В геноме человека насчитывается около 1400 факторов транскрипции, и они составляют около 6% всех генов, кодирующих белки человека. Кроме того, они часто находятся в конце пути передачи сигнала, который изменяет фактор, например, его субклеточную локализацию или активность. Посттрансляционные модификации факторов транскрипции, расположенных в цитозоле, могут приводить к их транслокации в ядро, где они могут взаимодействовать с соответствующими энхансерами. Другие факторы транскрипции уже находятся в ядре и модифицируются для взаимодействия с партнерскими факторами транскрипции. Некоторые посттрансляционные модификации, регулирующие функциональное состояние факторов транскрипции, включают фосфорилирование, ацетилирование, SUMOилирование и убиквитинирование. Факторы транскрипции можно разделить на две основные категории: активаторы и репрессоры. Активаторы могут взаимодействовать напрямую или косвенно с основным механизмом транскрипции через связывание с энхансерами, в то время как репрессоры преимущественно рекрутируют корепрессорные комплексы, приводя к транскрипционной репрессии за счет конденсации хроматина в областях энхансеров. Также возможно, что репрессор может функционировать посредством аллостерической конкуренции с определенным активатором для подавления экспрессии гена: перекрывающиеся мотивы связывания ДНК для активаторов и репрессоров вызывают физическую конкуренцию за место связывания. Если репрессор имеет более высокую аффинность к своему мотиву, чем активатор, транскрипция будет эффективно блокироваться в присутствии репрессора. Строгий регуляторный контроль обеспечивается высокой динамичностью факторов транскрипции. Существует множество различных механизмов, контролирующих активность фактора транскрипции. Эти механизмы включают контроль локализации белка или контроль способности белка связываться с ДНК. Примером является белок HSF1, который остается связанным с Hsp70 в цитозоле и транслоцируется в ядро только при клеточном стрессе, таком как тепловой шок. Таким образом, гены, находящиеся под контролем этого фактора транскрипции, останутся нетранскрибированными, если клетка не подвергнется стрессу.

Transcription factors are proteins that bind to specific DNA sequences in order to regulate the expression of a given gene. There are approximately 1,400 transcription factors in the human genome and they constitute about 6% of all human protein coding genes. In addition, often they are at the end of a signal transduction pathway that functions to change something about the factor, like its subcellular localization or its activity. Post translational modifications to transcription factors located in the cytosol can cause them to translocate to the nucleus where they can interact with their corresponding enhancers. Other transcription factors are already in the nucleus, and are modified to enable the interaction with partner transcription factors. Some post translational modifications known to regulate the functional state of transcription factors are phosphorylation, acetylation, SUMOylation and ubiquitylation. Transcription factors can be divided in two main categories: activators and repressors. While activators can interact directly or indirectly with the core machinery of transcription through enhancer binding, repressors predominantly recruit co repressor complexes leading to transcriptional repression by chromatin condensation of enhancer regions. It may also happen that a repressor may function by allosteric competition against a determined activator to repress gene expression: overlapping DNA binding motifs for both activators and repressors induce a physical competition to occupy the site of binding. If the repressor has a higher affinity for its motif than the activator, transcription would be effectively blocked in the presence of the repressor. Tight regulatory control is achieved by the highly dynamic nature of transcription factors. Again, many different mechanisms exist to control whether a transcription factor is active. These mechanisms include control over protein localization or control over whether the protein can bind DNA. An example of this is the protein HSF1, which remains bound to Hsp70 in the cytosol and is only translocated into the nucleus upon cellular stress such as heat shock. Thus the genes under the control of this transcription factor will remain untranscribed unless the cell is subjected to stress.

Усилители

Энхансеры или цис-регуляторные модули/элементы (CRM/CRE) – это некодирующие последовательности ДНК, содержащие множественные сайты связывания активаторов и репрессоров. Длина энхансеров варьируется от 200 п.н. до 1 кб и они могут быть как проксимальными – расположенными выше по течению на 5’ от промотора или в пределах первого интрона регулируемого гена, так и дистальными – в интронах соседних генов или межгенных областях, удаленных от локуса. Благодаря образованию ДНК-петель, активные энхансеры контактируют с промотором независимо от специфичности основного мотива связывания ДНК промотора. Дихотомия энхансер-промотор обеспечивает основу для функционального взаимодействия между факторами транскрипции и основным транскрипционным аппаратом, что приводит к инициации выхода РНК Pol II с промотора. Несмотря на то, что можно предположить соотношение энхансер-промотор 1:1, исследования генома человека показывают, что активный промотор взаимодействует с 4-5 энхансерами. Аналогично, энхансеры могут регулировать более одного гена без ограничений по сцепленности и способны "перескакивать" через соседние гены для регуляции более удаленных. В редких случаях транскрипционная регуляция может включать элементы, расположенные в хромосоме, отличной от той, где находится промотор. Проксимальные энхансеры или промоторы соседних генов могут служить платформами для рекрутирования более дистальных элементов.

Активация и внедрение механизма усиления

Усилитель функции в регуляции транскрипции у млекопитающих. Активная регуляторная последовательность ДНК усилителя способна взаимодействовать с регуляторной последовательностью ДНК промотора своего целевого гена посредством формирования 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, 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 может активировать свой целевой промотор. Активный усилитель транскрибируется на каждой нити ДНК в противоположных направлениях связанными РНКП II. Медиатор (комплекс, состоящий примерно из 26 белков во взаимодействующей структуре) передает регуляторные сигналы от факторов транскрипции, связанных с ДНК усилителя, к промотору. Повышенная экспрессия генов у млекопитающих может быть инициирована при передаче сигналов промоторам, связанным с генами. Цис-регуляторные последовательности ДНК, расположенные в областях ДНК, удаленных от промоторов генов, могут оказывать значительное влияние на экспрессию генов, при этом экспрессия некоторых генов может увеличиваться до 100 раз благодаря такой цис-регуляторной последовательности. Эти цис-регуляторные последовательности включают усилители, сайленсеры, изоляторы и элементы связывания. Среди этого набора последовательностей усилители и связанные с ними белки факторов транскрипции играют ведущую роль в регуляции экспрессии генов. Усилители – это последовательности генома, являющиеся основными регуляторными элементами генов. Усилители контролируют специфичные для типа клеток программы экспрессии генов, чаще всего, образуя петли на больших расстояниях, чтобы оказаться в физической близости с промоторами своих целевых генов. В исследовании нейронов коры головного мозга было обнаружено 24 937 петель, которые доставляют усилители к промоторам. Несколько специфичных для клеточной функции белков факторов транскрипции (в 2018 году Lambert et al. указали, что в человеческой клетке 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 петли ДНК, определяет 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 усилителя, непосредственно ферменту РНК-полимеразы II (РНКП II), связанному с промотором. Активные усилители обычно транскрибируются с обеих нитей ДНК с РНК-полимеразами, действующими 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| Enhance function in regulation of transcription in mammals. An active enhancer regulatory sequence of DNA is enabled to interact with the promoter DNA regulatory sequence 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 (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 can be initiated when signals are transmitted to the promoters associated with the genes. Cis regulatory DNA sequences that are located in DNA regions distant from the promoters of genes can have very large effects on gene expression, with some genes undergoing up to 100 fold increased expression due to such a cis regulatory sequence. These cis regulatory sequences include enhancers, silencers, insulators and tethering elements. Among this constellation of sequences, enhancers and their associated transcription factor proteins have a leading role in the regulation of gene expression. Enhancers are sequences 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 factor proteins (in 2018 Lambert et al. indicated there were 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 (RNAP 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 a transcription factor bound to an 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.

Нормативная обстановка

Транскрипционное инициирование, завершение и регуляция опосредованы «циклизацией ДНК», которая объединяет промоторы, энхансеры, факторы транскрипции и факторы обработки РНК для точной регуляции экспрессии генов. Методы захвата хромосомной конформации (3C) и, позднее, Hi-C предоставили доказательства того, что активные области хроматина «компактизированы» в ядерных доменах или телах, где усиливается регуляция транскрипции. Конфигурация генома необходима для близости энхансера и промотора. Решения о клеточной судьбе опосредованы высокодинамичными геномными реорганизациями в интерфазе, модулярно включающими или выключающими целые регуляторные сети генов посредством хроматиновых перестроек на коротких и длинных дистанциях. Связанные исследования демонстрируют, что геномы метазоа разделены на структурные и функциональные единицы вокруг мегабазы, называемые доменами топологических ассоциаций (TAD), содержащие десятки генов, регулируемых сотнями энхансеров, распределенных в больших геномных областях, содержащих только некодирующие последовательности. Функция TAD заключается в объединении энхансеров и промоторов, взаимодействующих вместе в рамках одной большой функциональной области, вместо их рассеивания по разным TAD. Однако исследования развития мыши указывают на то, что два соседних TAD могут регулировать один и тот же генный кластер. Наиболее значимое исследование эволюции конечностей показывает, что TAD на 5'-конце кластера генов HoxD в геномах тетрапод определяет его экспрессию в эмбрионах дистальных почек конечностей, приводя к формированию кисти, в то время как TAD, расположенный на 3'-конце, определяет экспрессию в проксимальных почках конечностей, приводя к формированию предплечья. Тем не менее, неизвестно, являются ли TAD адаптивной стратегией для усиления регуляторных взаимодействий или следствием ограничений на эти же взаимодействия. Границы TAD часто состоят из генов домашнего хозяйства, тРНК, других высокоэкспрессируемых последовательностей и коротких внедренных элементов (SINE). Хотя эти гены могут использовать свое пограничное положение для повсеместной экспрессии, они не связаны напрямую с формированием границ TAD. Специфические молекулы, идентифицированные на границах TAD, называются изоляторами или архитектурными белками, поскольку они не только блокируют утечку экспрессии энхансеров, но и обеспечивают точную компартментализацию цис-регуляторных сигналов к целевому промотору. Эти изоляторы представляют собой белки, связывающие ДНК, такие как CTCF и TFIIIC, которые помогают рекрутировать структурных партнеров, таких как когезины и конденсины. Локализация и связывание архитектурных белков с их соответствующими участками связывания регулируется посттрансляционными модификациями. Мотивы связывания ДНК, распознаваемые архитектурными белками, либо имеют высокую степень занятости и находятся на расстоянии около мегабазы друг от друга, либо низкую степень занятости и находятся внутри TAD. Сайты с высокой степенью занятости обычно консервативны и статичны, в то время как внутри-TAD сайты динамичны в зависимости от состояния клетки, поэтому сами TAD подразделяются на субдомены, которые можно назвать суб-TAD, длиной от нескольких кб до TAD (19). Когда архитектурные участки связывания находятся на расстоянии менее 100 кб друг от друга, медиаторные белки сотрудничают с когезином. Для суб-TAD размером более 100 кб и границ TAD, CTCF является типичным изолятором, взаимодействующим с когезином.

Transcriptional initiation, termination and regulation are mediated by “DNA looping” which brings together promoters, enhancers, transcription factors and RNA processing factors to accurately regulate gene expression. Chromosome conformation capture (3C) and more recently Hi C techniques provided evidence that active chromatin regions are “compacted” in nuclear domains or bodies where transcriptional regulation is enhanced. The configuration of the genome is essential for enhancer promoter proximity. Cell fate decisions are mediated upon highly dynamic genomic reorganizations at interphase to modularly switch on or off entire gene regulatory networks through short to long range chromatin rearrangements. Related studies demonstrate that metazoan genomes are partitioned in structural and functional units around a megabase long called Topological association domains (TADs) containing dozens of genes regulated by hundreds of enhancers distributed within large genomic regions containing only non coding sequences. The function of TADs is to regroup enhancers and promoters interacting together within a single large functional domain instead of having them spread in different TADs. However, studies of mouse development point out that two adjacent TADs may regulate the same gene cluster. The most relevant study on limb evolution shows that the TAD at the 5’ of the HoxD gene cluster in tetrapod genomes drives its expression in the distal limb bud embryos, giving rise to the hand, while the one located at 3’ side does it in the proximal limb bud, giving rise to the arm. Still, it is not known whether TADs are an adaptive strategy to enhance regulatory interactions or an effect of the constrains on these same interactions. TAD boundaries are often composed by housekeeping genes, tRNAs, other highly expressed sequences and Short Interspersed Elements (SINE). While these genes may take advantage of their border position to be ubiquitously expressed, they are not directly linked with TAD edge formation. The specific molecules identified at boundaries of TADs are called insulators or architectural proteins because they not only block enhancer leaky expression but also ensure an accurate compartmentalization of cis regulatory inputs to the targeted promoter. These insulators are DNA binding proteins like CTCF and TFIIIC that help recruiting structural partners such as cohesins and condensins. The localization and binding of architectural proteins to their corresponding binding sites is regulated by post translational modifications. DNA binding motifs recognized by architectural proteins are either of high occupancy and at around a megabase of each other or of low occupancy and inside TADs. High occupancy sites are usually conserved and static while intra TADs sites are dynamic according to the state of the cell therefore TADs themselves are compartmentalized in subdomains that can be called subTADs from few kb up to a TAD long (19). When architectural binding sites are at less than 100 kb from each other, Mediator proteins are the architectural proteins cooperate with cohesin. For subTADs larger than 100 kb and TAD boundaries, CTCF is the typical insulator found to interact with cohesion.

Предварительного комплекса и промотора бегства

В эукариотах рибосомная рРНК и тРНК, участвующие в трансляции, контролируются РНК-полимеразой I (Pol I) и РНК-полимеразой III (Pol III). РНК-полимераза II (Pol II) отвечает за производство РНК-мессенджера (мРНК) внутри клетки. Особенно в случае Pol II, значительная часть регуляторных контрольных точек в процессе транскрипции происходит на этапах сборки и высвобождения из комплекса преинициации. Ген-специфическая комбинация транскрипционных факторов рекрутирует TFIID и/или TFIIA к основному промотору, за чем следует ассоциация TFIIB, формирующая стабильный комплекс, к которому могут присоединиться остальные общие факторы транскрипции (GTF). Этот комплекс относительно стабилен и способен к множественным раундам инициации транскрипции. После связывания TFIIB и TFIID, Pol II может собрать остальные GTF. Эта сборка характеризуется посттрансляционной модификацией (обычно фосфорилированием) С-концевого домена (CTD) Pol II посредством ряда киназ. CTD представляет собой крупный, неструктурированный домен, простирающийся от субъединицы RbpI Pol II и состоящий из множества повторов гептадной последовательности YSPTSPS. TFIIH, геликаза, которая остается связанной с Pol II на протяжении всей транскрипции, также содержит субъединицу с киназной активностью, которая фосфорилирует серины 5 в гептадной последовательности. Аналогично, как CDK8 (субъединица массивного мультипротеинового комплекса Медиатора), так и CDK9 (субъединица фактора элонгации pTEFb), обладают киназной активностью в отношении других остатков в CTD. Эти события фосфорилирования стимулируют процесс транскрипции и служат сайтами рекрутинга для механизмов процессинга мРНК. Все три киназы реагируют на восходящие сигналы, и неспособность фосфорилировать CTD может привести к остановке полимеразы на промоторе.

При раке

У позвоночных большинство промоторов генов содержат CpG-остров с многочисленными CpG-сайтами. Когда многие CpG-сайты промотора гена метилированы, ген становится неактивным. Колоректальные раки обычно характеризуются 3-6 драйверными мутациями и 33-66 мутациями-пассажирами. Однако транскрипционное подавление может играть более важную роль, чем мутации, в прогрессировании рака. Например, при колоректальном раке около 600-800 генов подвергаются транскрипционному подавлению посредством метилирования CpG-острова (см. Регуляция транскрипции при раке). Транскрипционная репрессия при раке может также происходить посредством других эпигенетических механизмов, таких как изменение экспрессии микроРНК. При раке молочной железы транскрипционная репрессия BRCA1 может возникать чаще из-за сверхэкспрессии микроРНК 182, чем из-за гиперметилирования промотора BRCA1 (см. Низкая экспрессия BRCA1 при раке молочной железы и яичников).