Regulace transkripce u eukaryot

Jedním z významných kontrolních bodů exprese genů je iniciace transkripce.

• transkripčně inaktivní DNA je součástí vysoce kondenzované chromatinové struktury v chromosomu – tato struktura musí být před transkripcí reverzibilně upravena do konformace, která umožňuje navázání RNA-polymerasy na DNA

Změna konformace chromatinu je umožněna modifikací histonů a remodelací chromatinu:

• histony jsou součástí nukleosomů a jejich modifikace spočívá v acetylaci nebo deacetylaci
• jedná se o přidání acetylových skupin k amino-skupinách postranních řetězců lysinů v histonech pomocí enzymu acetyltransferasy
• tak se redukuje afinita mezi histony a DNA – oblast promotoru genu je přístupnější pro komplex transkripčních faktorů a RNA-polymerasy
• deacetylace histonů má opačný efekt
• na aktivaci nebo potlačení transkripce má vliv i methylace histonů (methyltransferasa) – methylace argininů aktivuje, lysinů deaktivuje
• tyto modifikace s účastí dalších proteinů dočasně mění strukturu chromatinu

Interakce transkripčních faktorů a specifických sekvencí promotoru genu:

• regulace transkripce se uskutečňuje především interakcí promotoru s těmito specifickými proteiny, vázajícími se na DNA
• regulační sekvence jsou umístěné různě daleko od počátku transkripce, ale na stejné molekule DNA nebo RNA – pracují tedy v pozici cis (cis elementy)
• transkripční faktory jsou syntetizovány v cytoplazmě, působí však v jádře a musejí proto migrovat do místa určení

Základní transkripční faktory se vážou s DNA promotoru v místě sekvence TATA a tvoří komplex pro lokalizace RNA-polymerasy do správné pozice – iniciace transkripce. Účinnost transkripce závisí na dalších specifických TF, jež se mohou vázat na další signální sekvence v promotoru a mohou interagovat s transkripčním iniciačním komplexem a posílit jeho stabilitu.

• mezi specifické TF patří např. tkáňově specifické TF
  

Kromě základních signálních sekvencí se v regulaci transkripce mohou uplatnit sekvence zvané enhancery (zesilovače), které velmi účinně stimulují transkripci. Nachází se většinou mimo promotor genu, často ve velké vzdálenosti od genu, ale i uvnitř genu různě daleko po proudu od začátku transkripce. Silencery jsou naopak sekvence transkripci inhibující.

Transkripční faktory

• TF tvoří velkou rodinu proteinů, které mohou pozitivně nebo negativně ovlivňovat transkripci
• většinou fungují jako homodimery, méně často tvoří heterodimery odlišných transkripčních faktorů
• obsahují několik funkčně důležitých domén – doména pro vazbu s DNA, dimerizační doména a aktivační doména
  • aktivační doména aktivuje vznik transkripčního komplexu poté, co se TF váže na signální sekvenci genu
  • doména pro vazbu s DNA obsahuje několik charakteristických konzervovaných struktur – motivů
  • všechny tyto motivy používají α-helixy, které zapadají do velkého žlábku DNA
  • TF jsou podle typu domény pro vazbu s DNA a podle genů, jejichž expresi ovlivňují, klasifikovány

motiv helix-turn-helix (spirála-otáčka-spirála)

• tvořen dvěma α-helixy, oddělenými β otáčkou, vytváří dimery
• jeden z helixů se váže na DNA ve velkém žlábku
• příkladem proteinů s tímto motivem jsou TF obsahující homeodomény, jež jsou kódovány velmi konzervovanými geny (homeobox geny)
• podílejí se na regulaci diferenciace a hrají významnou roli v embryogenezi

motiv zinkových prstů

• tvořen smyčkou amk, připevněných na basi dvěma cysteiny a dvěma histidiny, které jsou vázány prostřednictvím atomu zinku
• zinkové prsty vytvářejí homodimery i složitější struktury
• úsek aminokyselin interaguje s DNA prostřednictvím velkého žlábku
• obdobný motiv tvořený 4 cysteiny spojenými atomem zinku se uplatňuje v TF regulujících receptor steroidních hormonů

Motiv zinkových prstů

motiv leucinového zipu

• bohaté na zbytky leucinu, každá sedmá amk je Leu
• na DNA se váží jako dimery a dimerizace nastává interakcí mezi hydrofobními povrchy dvou Leu zipů
• příležitostně mohou tvořit heterodimery, což může podstatně zvýšit variabilitu regulace transkripce

Motiv leucinového zipu

motiv helix-loop-helix (spirála-smyčka-spirála)

• dimerizační doména obsahuje 2 α-helixy spojené smyčkou
• dimerizace nastává mezi hydrofobními amk na jedné straně COOH konce helixů
• mohou tvořit homodimery i heterodimery a vázat se na DNA

Poměrně vysoké procento genů transkribovaných RNA-polymerasou II. vykazuje tkáňově specifickou expresi působením tkáňově specifických TF, enhancerů a silencerů. Enhancer se v důsledku vytvoření kličky DNA přiblíží promotoru a naváže se na něj pomocí specifických proteinů – tato vazba brání napojení RNA-polymerasy II. na promotor. Následně se v důsledku působení signálních molekul změní konformace celého komplexu, promotor je uvolněn pro RNA polymerasu II. a transkripce je zahájena.

Iniciace transkripce rRNA genů je regulována vazbou dvou TF na promotorové sekvence, a to na sekvenci v místě počátku transkripce a sekvenci vzdálenou 100 nukleotidů proti proudu od startovací pozice. Transkripce tRNA je umožněna vazbou TF na promotorové sekvence a vazbou dalších faktorů a nakonec RNA-polymerasy III.

Regulace exprese genu extracelulárními signály

Vývoj a přežití mnohobuněčných organismů závisí na dokonalé koordinaci činnosti všech jejich buněk. Koordinaci zajišťují signální molekuly, které se k buňkám dostávají různými cestami:

• buňky endokrinních žláz secernují své produkty (hormony) do krve – ovlivnění vzdálených orgánů
• parakrinní buňky secernují látky difundující do blízkého okolí (zažívací trakt)
• autokrinní buňky ovlivňují zpětně činnost téže buňky, jež je syntetizuje

Pro regulaci signálními molekulami platí několik společných zásad:

• ovlivňují jen cílové buňky se specifickými membránovými nebo cytoplasmatickými receptory, kaskádou pro přenos signálu v cytoplazmě a specifickými TF v jádře
• mutace genu pro jakýkoli ze zúčastněných proteinů (receptory, enzymy, TF) může přerušit přenos informace a projevit se ve fenotypu jako ztrátová mutace
• nebo může mutace způsobit trvalou expresi genu – např. v procesu kancerogeneze
• různé cílové buňky mohou reagovat specificky na stejnou signální molekulu – reakce závisí na přenosu (přečtení) signálu systémem buňky
• některé signální molekuly jsou přítomny v oběhu nárazově, jiné trvale
• množství signálních molekul (např. hormonu) je zpravidla řízeno zpětnou vazbou
• signální molekuly navázané na receptory jsou rychle odbourávány – pružnost reakce
• uplatnění signálních molekul v regulaci buněčného cyklu

Přenos signálů pro regulaci funkce genů hormony:

• hormony ovlivňují charakteristiky a funkce cílových buněk aktivací transkripce specifických genů
• jsou to malé molekuly steroidní (estrogeny, glukokortikoidy) nebo polypeptidové (insulin) povahy

Hormony lze dělit na

• hydrofobní: ve vodě nerozpustné, jen v tucích - steroidy (testosteron, estradiol) nebo thyroxin
• hydrofilní: ve vodě rozpustné – polypeptidy (oxytocin a inzulin)
• aminy: adrenalin

Alternativní transkripce individuálních genů

Kromě mechanismů, umožňujících regulaci aktivity genů (aktivace a represe), existují i kontrolní mechanismy, které mohou vybírat mezi specifickými alternativními transkripty a tím i produkty (isoformy) jednoho genu.

Využití alternativních promotorů:

• vyskytují se u některých savčích genů
• využití vede k tvorbě isoforem s různými vlastnostmi

• alternativní promotory mohou být lokalizovány v prvním exonu, který je pak vystřižen, ale i ve větších vzdálenostech v genu směrem po proudu
• produkty genové exprese pak mohou mít vlastnosti specifické pro určité tkáně

Po úpravách genové sekvence mRNA se mohou vyskytnout variace, které vedou ke vzniku různých mRNA a tím i různých forem proteinu (isoformy). Patří sem:

Alternativní sestřih

• jsou využita i jiná sestřihová místa, což může vést k různým kombinacím exonů (intronisace exonů či exonisace intronů) jednoho genu
• tím mohou vznikat různé isoformy proteinu
• asi 50% lidských genů má odhadem možnost alternativního sestřihu
• sestřih může být tkáňově specifický nebo se může vyskytnout v různých vývojových stádiích buňky

další variací je:

Alternativní polyadenylace

• jsou využity alternativní polyadenylační signály – oblast 3‘ UTR apod.
• rovněž alternativně polyadenylované transkripty mohou být tkáňově specifické

Jednou z vzácných posttranskripčních úprav je tzv. RNA editace - dochází k inserci, deleci nebo substituce nukleotidů na úrovni RNA. U savců byla v omezeném počtu genů pozorována substituční editace, zejména deaminace vybraných cytosinových (C-U) a adeninových (A-I, inosin, který se chová jako G) zbytků. Význam RNA editace není zcela jasný, může to být způsob regulace genové exprese a další cesta k diversitě proteinů, některé studie naznačují, že je nezbytná pro přežívání organismu.

Regulace transkripce mitochondriálních genů

• sekvence promotoru, rozpoznávané mtRNA-polymerasami jsou bohaté na A a zahrnují startovní nukleotid (+1)
• lidská mitochonriální DNA má pro všechny geny jen dva promotory se signálními sekvencemi dlouhými 15 bazí
• jeden promotor zajišťuje transkripci jednoho řetězce, druhý druhého
• řetězce jsou transkribovány v celé své délce a primární transkript je upravován na mitochondriální mRNA, rRNA a tRNA
• transkripci stimuluje transkripční faktor mtTF1
• řídící prvek je lokalizován proti proudu od startovního nukleotidu a má opačnou orientaci než promotor
• regulace genové funkce odpovídá tedy spíše uspořádání regulačních prvků u eukaryot
• lze tedy uzavřít, že transkripce mtDNA a její regulace jsou kombinací mechanismů, popsaných v prokaryotních i eukaryotních buňkách

Odkazy

Související články

• Transkripce
• Transkripční faktory