Ініціація транскрипції регулюється протеїнами які зв’язуються із промотором або поблизу нього

Щонайменше три типи протеїнів регулюють ініціацію транскрипції РНК полімеразою: фактор специфічності (англ. specificity factor) змінює специфічність РНК полімерази для даного набору промоторів, репресори (англ. repressors) заважають доступу РНК полімерази до промотора, а активатори (англ. activators) сприяють взаємодії між промотором і РНК полімеразою.

Ми вже представляли фатори специфічності прокаріот в Розділі 26 (див. Рис.26-5), хоча і не називали їх відповідними термінами. Субодиниця σ голоензиму РНК полімерази E.Coli є фактором спеціфічності, через який опосередковується розпізнавання промотора і зв’язування із ним. Більшість із промоторів E.Coli розпізнається завдяки одиночній σ субодиниці (Мв 70.000), σ⁷⁰. При певних умовах деякі із σ⁷⁰ субодиниць замінюються на інші фактори специфічності. Особливий випадок відбувається в бактеріях при тепловому стресі, який призводить до заміни σ⁷⁰ на σ³² (Мв 32.000). При приєднанні до σ³² РНК полімераза направляється до спеціалізованого набору промоторів із різними послідовностями консенсуса (Рис.28-3). Такі промотори контролюють експресію групи генів, що кодують протеїни - відповіді на тепловий шок. Таким чином через зміни у зв’язувальній властивості полімерази, яка направляє їх до інших промоторів група генів залучених у споріднені процеси регулюється скоординовано. Деякі із загальних транскрипційних фаторів еукаріот, а саме ТАТА-зв’язуючий протеїн (ТЗП, див. Рис.26-8) може розглядатися у якості фактора специфічності. Репресори приєднуються до відповідних місць на ДНК. В прокаріотичних клітинах такі місця для зв’язування називаються опереторами (англ., operators) і зазвичай знаходяться поблизу промотора. Приєднання РНК полімерази, або ж її рух вздовж ДНК після зв’язування заблоковується у випадку присутності репресора.

Рисунок 28-2. Послідовність консенсуса багатьох промоторів E.Coli

У більшості випадків заміни нуклеотидів у районі -10 і -35 мають негативний ефект на функцію промотора. До деяких промоторів також належить елемент верхнього промотора - ВП (англ., upstream promoter) (див. Рис.26-5). Згідно із угодою послідовності ДНК показано як нематричну нитку ДНК із 5’ кінцем розміщеним ліворуч. Нуклеотиди пронумеровані із місця початку транскрипції із додатніми числами справа (у напрямку транскрипції) і від’ємними номерами у лівому напрямку. N означає будь-який нуклеотид.

Підписи: ДНК; ВП елемент; -35 район ТТГАЦА; N₁₇; ТАТААТ; -10 район; N_5-9; мРНК; початок РНК

Рисунок 28-3.

Послідовність консенсуса промотора, який регулює експресію генів теплового шоку E.Coli.

Ця система реагує у відповідь як на підвищення температури, так і на інші види стресів, відповідно індукуючи синтез групи протеїнів. Зв’язування РНК полімерази із промоторами генів теплового шоку опосередковано через спеціальну σ субодиницю полімерази - σ³², яка заміняє в РНК полімеразному ініціативному комплексі субодиницю σ⁷⁰.

Підписи: ДНК; 5’ TNТЦNЦЦЦТТГАА; N_13-15; ЦЦЦЦАТТТА; N_7.

Регуляція із використанням репресорного протеїна, який блокує транскрипцію називається негативною регуляцією (англ., negative regulation). Зв’язування репресора із ДНК регулюється молекулярним сигналом (чи ефектором) (англ., effector), що зазвичай є невеликою молекулою чи протеїном, який зв’язується із репресором і призводить до конформаційних змін. Взаємодія із репресором і сигнальною молекулою може як прискорювати, так і гальмувати транскрипцію. У деяких випалках конформаційні зміни призводять до дисоціації приєднаного до ДНК репресора від оператора (Рис.28-4а). Ініціація транскрипції може також відбуватися і без перешкод. В окремих випадках взаємодія між інактивними репресорами і сигнальними молекулами спричиняє репресор приєднуватися до оператора (Рис.28-4б). В еукаріотичних клітинах місце приєднання репресора може знаходитися на деякій відстані від промотора; приєданння має такі ж наслідки як і в бактерійних клітинах – дестабілізація цілісності комплексу або ж інгібування активності транскрипційного комплексу на промоторі.

Активатори є молекулярними антагоністами репресорів. Вони приєднуються до ДНК і сприяють стимулюванню приєднаної до промотора РНК полімерази. Такий процес називається позитивною регуляцією (англ., positive regulation). Місця приєднання активаторів часто знаходяться поблизу промоторів, до яких РНК полімераза приєднується або дуже слабо, або не приєднується взагалі, а процес транскрипції при відсутності активатора може і не відбуватися. Деякі еукаріотичні активатори, які приєднуються до визначених ділянок ДНК, що знаходяться на достатньо великій відстані від промотора називаються енхансерами (англ., enhancers). Таким чином вони впливають на швидкість транскрипції у районі промотора, що може знаходитись на відстані декількох тисяч пар нуклеотидів. Деякі активатори зазвичай постійно приєднані до ДНК спонукаючи транскрипцію аж до моменту дисоціації активатора, викликаного приєднанням сигнальної молекули (Рис.28-4в). У інших випадках активатор приєднується до ДНК лише після взаємодії із сигнальними молекулами (Рис.28-4г). Таким чином сигнальні молекули можуть впливати на пришвидшення чи сповільнення транскрипції, в залежності від їх взаємодії із активаторами. Позитивна регуляція, яка особливо розповсюджена в еукаріот, розглядатиметься пізніше.

Рисунок 28-4

Загальна схема регуляції ініціації транскрипції

Показано два види негативної регуляції. (а) Репресор (червоний колір) приєднується до оператора у відсутності молекулярного синалу; зовнішній сигнал призводить до дисоціації репресора і початку транскрипції. (б) Репресор приєднується в присутності сигнальної молекули; репресор дисоціює і спонукає транскрипцію після від’єднанні сигнальної молекули. Позитивна регуляція опосередкована активаторами гену. (в) Активатор (зелений колір) приєднується при відсутності молекулярного сигналу і спонукає початок транскрипції; при приєднанні сигнальної молекули активатор від’єднується і транскрипція припиняється. (г) Активатор приєднується в присутності сигнальної молекули; дисоціація відбувається лише при від’єднанні останньої. Відмітьте, що “позитивна” і “негативна” регуляція визначається типом залучених регуляторних протеїнів: приєднаний протеїн може або стимулювати, або гальмувати транскрипцію. У кожному з випадків приєднання сигнальної молекули пришвидшує або сповільнює транскрипцію в залежності від взаємодії сигнальної молекули із регуляторним протеїном.

Підписи: Негативна регуляція (приєднання репресора інгібує транскрипцію); (а) ДНК; Оператор; Промотор; Молекулярний сигнал призводить до дисоціації регуляторного протеїну і ДНК; Сигнальна молекула; мРНК; (б) Молекулярний сигнал стимулює приєднання регуляторного протеїну до ДНК; мРНК; (в) Позитивна регуляція (приєднання активатора сприяє транскрипції); РНК полімераза; мРНК.