Регуляция транскрипции у эукариот

Регуляция экспрессии генов у высших организмов на уровне синтеза РНК является значительно более сложной, чем в клетках прокариот.

Регуляторные белки. Клетки эукариот обычно содержат большое количество регуляторных белков. Активность гена часто зависит от действия нескольких регуляторных белков. Различные регуляторные белки взаимодействуют друг с другом. Комбинации нескольких регуляторных белков, контролирующих активность генов, могут определять развитие многих типов клеток. Различные типы клеток многоклеточного организма обладают разными белками-регуляторами, в результате каждый тип клеток транскрибирует свой собственный набор генов. Часть регуляторных белков, но-видимому, присутствует во всех тканях (например, р-белок), тогда как другие обнаруживаются только в определенных типах клеток.

Наличие большого числа регуляторных элементов, которые могут изменять активность единичного гена, позволяет осуществлять дифференциальную регуляцию экспрессии генов эукариот.

Мы уже говорили, что эукариоты характеризуются очень сложным промотором (рис. 2.19). В промоторе эукариот можно выделить две основные части: минимальный промотор, состоящий из минимального набора регуляторных последовательностей, требуемых для экспрессии гена, и дополнительные регуляторные последовательности, которые изменяют активность минимального промотора. Помимо 7/1771-блока, минимальный промотор эукариот также содержит две дополнительные регуляторные последовательности: СААТ-блок и GC-блок. Эти две последовательности являются местом связывания транскрипционных факторов (см. параграф 2.4). Минимальный промотор генов, транскрибируемых РНК-полимеразой II, располагается на расстоянии 100 пн от места инициации транскрипции и включает несколько проксимальных (от лат. proximus — ближайший) регуляторных последовательностей.

Регуляторные последовательности ДНК, находящиеся в составе тех самых генов, которые они регулируют, называются цис-действующими элементами (от лаг. cis — но эту сторону). Ряд других цис-действующих элементов расположен значительно дальше (до 1000 пн) от точки инициации транскрипции, чем проксимальные последовательности. Эти последовательности называются дистальными регуляторными элементами

(от лат. distalis — дальше, отстоящий). Они могут стимулировать или ингибировать синтез РНК.

Рис. 2.19. Структура промотора эукариотического гена¹:

• 1 — ГЦ-последовательность; 2 — ЦААТ-последовательность;
• 3 — спейсерный участок; 4 — ТА 714-последовательность; 5 — расстояние от ГА ГА-последовательности до начала транскрипции гена X;
• 6 — белковые регуляторы генов; 7 — общие факторы транскрипции

Помимо регуляторных последовательностей, входящих в состав промотора, у эукариот регуляторные белки могут связываться с ДНК в участках, удаленных на тысячи и десятки тысяч нуклеотидных пар от промотора. Далеко отстоящие регуляторные последовательности называются энхансерами или сайленсорами.

Энхансер (от англ, enhancer — усилитель) — это регуляторная последовательность ДНК, которая активирует транскрипцию гена. Энхансеры могут быть расположены или справа, или слева от промотора. Их местонахождение по отношению к регулируемому гену слабо влияет на биологическую активность. Интересно, что энхансеры не обладают полярностью, т.е. их ориентацию можно менять без снижения активности. Энхансер безразличен к гену, который он регулирует. Некоторые энхансеры проявляют тканевую специфичность. Это позволяет рассматривать энхансеры как важный фактор дифференцировки клеток.

Далеко отстоящая регуляторная последовательность ДНК, которая угнетает транскрипцию гена, называется сайленсором (от англ, silencer — глушить). Сайленсеры по своим свойствам весьма напоминают энхансеры. Обычно энхансеры и сайленсеры локализуются в спейсере, г.е. в нетранс- крибируемой области. Белки, присоединившиеся на некотором расстоянии от промотора, могут влиять на РНК-полимеразу благодаря гибкости молекулы ДНК, позволяющей ей образовывать петли (рис. 2.20). Влияние на расстоянии весьма распространено в клетках эукариот.

Цит. с изм. по: Plant Physiology / ed. by L. Taiz, E. Zeiger. P. 387.

Рис. 2.20. Регуляция транскрипции далеко отстоящими регуляторными последовательностями и транс-действующими факторами¹

Механизм действия и энхансеров, и сайленсеров в настоящее время практически не исследован. В то же самое время, при образовании инициирующего комплекса возможен физический контакт между промотором и большинством далеко расположенных регуляторных элементов. Этот контакт может быть непосредственным или осуществляться с помощью регуляторных белков. Через этот физический контакт транскрипционные факторы осуществляют позитивный или негативный контроль транскрипции.

Трансфакторы. Механизм действия регуляторных белков на транскрипцию генов в большинстве случаев слабо изучен, однако известно, что одного связывания их с ДНК недостаточно. Обнаружены еще специальные транскрипционные факторы, которые регулируют цис-действующие элементы генов эукариот. Транскрипционные факторы, которые связываются с цис-действующими элементами, называются транс-действующими факторами (трансфакторами), так как кодирующие их гены могут быть локализованы в любом месте генома (от лат. trans — сквозь, через, находящийся но другую сторону). Трансфакторы, которые усиливают транскрипцию, называют активаторами, а трансфакторы, ингибирующие ее, - репрессорами.

Любой трансфактор имеет три структурных элемента: ДНК-связывающий домен, транскрипционно активный домен и лиганд связывающий домен. ДНК-связывающие домены транскрипционных факторов должны взаимодействовать с регуляторными последовательностями ДНК за счет образования водородных и ионных связей, а также гидрофобных взаимодействий. Это предполагает наличие соответствующих консервативных структурных элементов в молекулах различных трансфакторов. ¹

Цит. с изм. по: Plant Physiology / ed. by L. Taiz, E. Zeiger. P. 387.

Анализ многих трансфакторов позволил обнаружить у некоторых из них высоко консервативные, специальные структуры, связывающие ДНК и названные цинковыми пальцами (Zinc finger), лейциновой застежкой (Leucine zipper), основной молнией (Basic zipper, bZip) и др. (рис. 2.21).

Рис. 2.21. Структура типичных регуляторных трансфакторов:

а — цинковый палец; б — лейциновая застежка; в — основная молния

Цинковые пальцы представляют собой структуры, в которых важную роль играет Zn. Полипептидная цепь, образующая каждый палец, имеет сложную глобулярную структуру, в которой остатки двух молекул цистеина и двух молекул гистидина связаны с атомом цинка. Цинковые пальцы взаимодействуют с ДНК в виде мономеров или димеров.

Структура транскрипционных факторов, получившая название лейциновой застежки, имеет вид спирали протяженностью около 35 аминокислот, среди которых каждую седьмую позицию занимает лейцин.

Основная молния является модификацией лейциновой молнии, она часто встречается среди трансфакторов растений и содержит в своем составе вместо лейцина другие гидрофобные аминокислоты.

Трансфакторы передают первичный сигнал, полученный от рецепторов (сенсоров) плазмалеммы, на гены. Под действием поступившего сигнала трансфакторы изменяют свою биологическую активность, что позволяет им стимулировать или ингибировать экспрессию различных групп генов. Следствием изменения дифференциальной активности генов и является оптимальный физиологический ответ организма.

Авторы: Кузнецов Владимир, Дмитриева Галина