Хроматин: декомпактизация

Понижение содержания гистона H1 в активном хроматине в сочетании с более высокой степенью ацетилирования последнего приводит к тому, что компактные хроматиновые фибриллы превращаются в "бусы на нитке". Наконец, нуклеосомы активных генов избирательно связывают два небольших, богато представленных в ядре негистоновых белка - HMG14 и HMG17 ; следует также отметить, что эти нуклеосомы значительно обогащены гистоном H2A , ковалентно связанным с убикитином . Все эти изменения, возможно, играют существенную роль в декомпактизации хроматина активных генов. Предпологается, что гистоны и негистоновые белки участвуют в регуляции транскрипции .

Траскрипция: регуляция гормональная

У человека важное значение имеет действие половых гормонов. Развитие первичных мужских половых признаков зависит от образования H-Y-антигена , ген которого, вероятно, находится в половой хромосоме. Стероидные гормоны , вырабатываемые гонадами, транспортируются к клеткам-мишеням, связываются имеющимися там аллостерическими белками- рецепторами , изменяют их конформацию и попадают в виде комплекса гормон-рецептор в клеточное ядро . Происходящая после этого активация транскрипции определенных генов, обусловлена воздействием этого комплекса.

Транскрипция: регуляторное действие гистонов и негистоновых белков

С помощью методов молекулярной биологии было исследовано регуляторное действие гистонов и негистоновых хромосомных белков. Как выяснилось, гистоны, особенно гистон H1, оказывают тормозящее действие на ДНК-зависимый синтез РНК. Негистоновым хромосомным белкам тоже приписывают специфические регуляторные функции . Эти белки снимают блокирующее действие гистонов. На их важную роль указывают, помимо прочего, их большое многообразие, неодинаковое содержание их в хроматине различных тканей и на различных стадиях развития, а также результаты экспериментов по реконструкции хроматина. Однако эти данные спорны, так что регуляторное значение гистонов и негистоновых белков остается неясным.

Транскрипционные факторы: введение

Транскрипция ДНК проходит с участием РНК-полимеразы и зависит от множества других белков - факторов транскрипции, взаимодействующих с дискретными участками ДНК, которые образуют сложный промотор . В районе промотора, прилегающего к сайту инициации транскрипции ( кэп-сайту), обнаружены участки ( McKnight ea, 1982 ) с характерными нуклеотидными последовательностями (мотивами), которые оказывают цис-действие на экспрессию близлежащего гена. Эти элементы могут взаимодействовать с РНК-полимеразой и другими белками-факторами транскрипции. Разные ядерные белковые факторы транскрипции, представляющие собой регуляторные белки, способны связываться с теми или иными нуклеотидными последовательностями ДНК, оказывая тем самым влияние на экспрессию разных генов. Такие белки, способные к диффузии в ядре, являются транс-действующими факторами, определяющими эффективность экспрессии генов, расположенных в самых разных участках генома.

Область эукариотического промотора рассматривается как специфический ДНК-остов, на котором собираются белки транскрипции, узнающие свои сайты связывания и взаимодействующие как друг с другом, так и с РНК-полимеразой. Некоторые факторы транскрипции вероятно являются ферментами и в процессе этих взаимодействий осуществляются ферментативные модификации как белковых факторов, так и ДНК.

В инициирующий комплекс помимо РНК-полимеразы II входят несколько так называемых общих транскрипционных факторов ( TFIIА , TFIIВ , TFIID , TFIIЕ , TFIIF , TFIII , TFIIH , TFIIJ ), большинство из которых имеют четвертичную структуру [ Студинский В.М., Храпко К.Р., 1990 , Ham J. ea, 1992 , Zhu H. ea, 1994 , Lieberman P.M. and Berk A.J., 1994 ].Сборка самого комплекса начинается со связывания TFIID с ТАТА- боксом , причем сначала с ТАТА-боксом связывается одна из субъединиц TFIID - TATA-связывающий белок ( ТВР , "TATA-box binding protein") [ Студинский В.М., Храпко К.Р., 1990 , Ham J. ea, 1992 , Metz R. ea, 1994 ]. Теоретически каждый из этапов сборки инициаторного комплекса может быть лимитирующим, и ускорение какого-либо этапа может повышать скорость транскрипции [ Ham J. ea, 1992 ]. В настоящее время наибольшее значение в активации транскрипции отводится стимуляции образования стабильного комплекса TFIID-ТАТА-бокс [ Студинский В.М., Храпко К.Р., 1990 , Metz R. ea, 1994 ], хотя появляются данные о том, что отдельные модуляторы транскрипции могут взаимодействовать с другими общими транскрипционными факторами [ Zhu H. ea, 1994 , Lieberman P.M. and Berk A.J., 1994 ].

Появление нового фактора транскрипции в дифференцированных клетках можно рассматривать как способ включения гена на нужной стадии развития. Сведения на этот счет можно извлечь, изучая некоторые мутации, оказывающие сильное влияние на ход эмбриогенеза. Подобные мутации, вызывающие в организме глубокие изменения, называются гомеотическими, или гомеозисными, мутациями . Белки, кодируемые такими мутантными генами, вероятно, представляют собой ключевые регуляторные белки, которые контролируют активность большого числа других генов. Например, отсутствие единственного регуляторного белка ( белка-рецептора гормона тестостерона ) приводит к появлению индивидуумов с мужским (XY) генотипом, имеющих женские вторичные половые признаки. Подобная комбинационная генетическая регуляция может обеспечить развитие сложного многоклеточного организма благодаря взаимодействию даже относительно небольшого числа ключевых белков-регуляторов генной активности.

Типичный эукариотический транскрипционный фактор (ТФ) состоит из двух функциональных доменов: ДНК-связывающего и активирующего транскрипцию ( Ptashne, 1988 ; Mitchel, & Tjian, 1989 ).

ДНК-связывающий домен отвечает за точное связывание ТФ с последовательностью-мишенью, тогда как активирующий домен ТФ принимает участие в белок-белковом взаимодействии с другими факторами (адаптерами, активаторами, вспомогательными белками). Конечным результатом этих событий является формирование активного пре- инициаторного комплекса ( Ptashne, & Gann, 1990 ; Martin, 1991 ).

В большинстве случаев ДНК-связывающие домены эукариотических ТФ взаимодействуют со специфическими последовательностями ДНК по большой бороздке двойной спирали ДНК. Эти контакты представляют собой водородные связи (двунаправленные и опосредованные молекулами воды) и Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия между боковыми группами аминокислотных остатков, расположенными на поверхности а-спирали белка (часто они и являются "узнающим" элементом), и атомами гетероциклических азотистых оснований ДНК. Известно, что подобные контакты высокоспецифичны. С другой стороны, удельный вклад неспецифических взаимодействий (водородных связей) между атомами сахаро- фосфатного остова молекулы ДНК и белком, довольно велик. Благодаря наличию этих связей становится возможным точное стерическое соответствие между "выступающими" группами аминокислотных остатков ТФ и парами азотистых оснований ДНК сайта-мишени. Способность ДНК-связывающего ТФ вызывать активацию транскрипции определяется присутствием в его структуре активирующего транскрипцию домена ( АТД ).

Факторы транскрипции с точки зрения их способности взаимодействовать с ДНК могут быть двух сортов. Одни прямо взаимодействуют с определенными последовательностями ДНК. Другие способны только к белок-белковым взаимодействиям и участвуют в регуляции путем взаимодействий с факторами первой группы. Факторы выбирают гены, которые должны быть активированы в ответ на сигнал из окружения клетки и управляют действиями транскрипционного аппарата.

Транскрипции регуляция: РНК-полимеразой I

Промотор РНК-полимеразы I охарактеризован недостаточно хоро- шо. В спейсере обнаружены повторяющиеся последовательности, котрые резко, в десятки раз, активируют транскрипцию . Подобно энхансерам генов, транскрибируемых РНК-полимеразой II , такие повторы, включающие по 40-60 п.н., активируют транскрипцию вне зависимости от их ориентации по отношению к направлению транскрипции. Эффекты таких повторов также мало зависят от расстояния между ними и стартом транскрипции. Интенсивность транскрипции пропорциональна числу таких усилителей в составе спейсера.

Транскрипции регуляция: РНК-полимеразой II

Молекулярные механизмы, с помощью которых элементы промотора регулируют транскрипцию , еще не выяснены, но несомненно, что активность промоторных элементов обусловлена связыванием с определенными белковыми факторами , обеспечивающими точную и эффективную транскрипцию генов РНК-полимеразой II . Выделены разные белки, взаимодействующие с разными участками промотора, содержащими TATA , CCAAT или " GC-мотив ". По-видимому, существует несколько белков, способных связываться с "мотивом CCAAT" , среди них - гетеродимер, состоящий из разных субъединиц. Белок, узнающий "GC-мотив" , связывается с участком ДНК, включающим 18-20 п.н., в центре которого находится GC-элемент.

Эффективность промотора, по-крайней мере частично, определяется эффективностью отдельного элемента ("мотива") в составе промотора, числом этих элементов и их взаимным расположением. Эти элементы , вероятно, функционируют в зависимости от ближайшего нуклеотидного окружения.

Замены близлежащих нуклеотидов могут сильно сказываться на эффективности действия элемента. Так, например, замены выделенных строчными буквами нуклеотидов в окружении "GC-мотива" (GGgGCGGgGC) могут снижать активность промотора, тогда как замена первого G на T вполне допустима. Если область промотора содержит как GC, так и CAAT-элементы, то разные белковые факторы транскрипции, взаимодействующие с ними могут согласованно активировать транскрипцию.