در همه موجودات (به استثنای برخی از ویروس ها)، اجرای ماده ژنتیکی بر اساس سیستم DNA-RNA-پروتئین اتفاق می افتد. در مرحله اول، اطلاعات از یک اسید نوکلئیک به دیگری بازنویسی (رونویسی) می شود. پروتئین هایی که این فرآیند را تنظیم می کنند، فاکتورهای رونویسی نامیده می شوند.
رونویسی چیست
رونویسی بیوسنتز یک مولکول RNA بر اساس یک الگوی DNA است. این امر به دلیل مکمل بودن بازهای نیتروژنی خاصی که اسیدهای نوکلئیک را تشکیل می دهند امکان پذیر است. سنتز توسط آنزیم های تخصصی - RNA پلیمرازها انجام می شود و توسط بسیاری از پروتئین های تنظیم کننده کنترل می شود.
کل ژنوم یکباره رونویسی نمی شود، بلکه تنها بخشی از آن به نام ترانسکریپتون رونویسی می شود. دومی شامل یک پروموتر (محل اتصال RNA پلیمراز) و یک پایان دهنده (توالی که تکمیل سنتز را فعال می کند) است.
رونوشت پروکاریوتی یک اپرون متشکل از چندین ژن ساختاری (سیسترون) است. بر اساس آن، RNA پلی سیسترونیک سنتز می شود،حاوی اطلاعاتی در مورد توالی اسید آمینه گروهی از پروتئین های مرتبط با عملکرد. رونوشت یوکاریوتی تنها حاوی یک ژن است.
نقش بیولوژیکی فرآیند رونویسی، تشکیل توالی های RNA الگو است که بر اساس آن سنتز پروتئین (ترجمه) در ریبوزوم ها انجام می شود.
سنتز RNA در پروکاریوتها و یوکاریوتها
طرح سنتز RNA برای همه موجودات یکسان است و شامل 3 مرحله است:
- شروع - اتصال پلیمراز به پروموتر، فعال شدن فرآیند.
- طولانی - گسترش زنجیره نوکلئوتیدی در جهت انتهای '3' تا 5' با بسته شدن پیوندهای فسفودی استر بین بازهای نیتروژنی، که مکمل مونومرهای DNA انتخاب شده اند.
- خاتمه تکمیل فرآیند سنتز است.
در پروکاریوتها، همه انواع RNA توسط یک RNA پلیمراز، متشکل از پنج پروتومر (β، β'، ω و دو زیرواحد α) رونویسی می‌شوند، که با هم یک هسته آنزیمی را تشکیل می‌دهند که قادر به افزایش زنجیره ریبونوکلئوتیدها است.. همچنین یک واحد σ اضافی وجود دارد که بدون آن اتصال پلیمراز به پروموتر غیرممکن است. مجموعه هسته و فاکتور سیگما را هولوآنزیم می نامند.
علی رغم این واقعیت که زیرواحد σ همیشه با هسته مرتبط نیست، بخشی از RNA پلیمراز در نظر گرفته می شود. در حالت تفکیک، سیگما فقط به عنوان بخشی از هولوآنزیم قادر به اتصال به پروموتر نیست. پس از اتمام شروع، این پروتومر از هسته جدا می شود و با ضریب کشیدگی جایگزین می شود.
ویژگیپروکاریوت ها ترکیبی از فرآیندهای ترجمه و رونویسی است. ریبوزوم‌ها بلافاصله به RNAی می‌پیوندند که شروع به سنتز می‌کند و یک زنجیره اسید آمینه می‌سازد. رونویسی به دلیل تشکیل ساختار سنجاق سر در ناحیه پایان دهنده متوقف می شود. در این مرحله، کمپلکس DNA-پلیمراز-RNA تجزیه می شود.
در سلول های یوکاریوتی، رونویسی توسط سه آنزیم انجام می شود:
- RNA پلیمراز l - RNA ریبوزومی 28S و 18S را سنتز می کند.
- RNA پلیمراز ll - ژن های کد کننده پروتئین ها و RNA های هسته ای کوچک را رونویسی می کند.
- RNA پلیمراز lll - مسئول سنتز tRNA و 5S rRNA (زیر واحد کوچک ریبوزوم) است.
هیچ یک از این آنزیم ها قادر به شروع رونویسی بدون مشارکت پروتئین های خاصی نیستند که تعامل با پروموتر را فراهم می کنند. ماهیت این فرآیند مانند پروکاریوت ها است، اما هر مرحله با مشارکت تعداد بیشتری از عناصر عملکردی و تنظیمی، از جمله عناصر اصلاح کننده کروماتین، بسیار پیچیده تر است. تنها در مرحله شروع، حدود صد پروتئین شامل تعدادی از فاکتورهای رونویسی درگیر هستند، در حالی که در باکتری ها، یک زیر واحد سیگما برای اتصال به پروموتر کافی است و گاهی به کمک یک فعال کننده نیاز است.
مهمترین نقش بیولوژیکی رونویسی در بیوسنتز انواع مختلف پروتئین ها، نیاز به یک سیستم دقیق برای کنترل خواندن ژن را تعیین می کند.
تنظیم رونویسی
در هیچ سلولی ماده ژنتیکی به طور کامل محقق نمی شود: فقط بخشی از ژن ها رونویسی می شود، در حالی که بقیه غیرفعال هستند. این به لطف مجموعه امکان پذیر استمکانیسم‌های تنظیمی که تعیین می‌کنند از کدام بخش‌های DNA و با چه مقدار توالی‌های RNA سنتز می‌شوند.
در موجودات تک سلولی، فعالیت دیفرانسیل ژن ها دارای ارزش تطبیقی است، در حالی که در موجودات چند سلولی، فرآیندهای جنین زایی و انتوژنز را نیز تعیین می کند، زمانی که انواع مختلف بافت ها بر اساس یک ژنوم تشکیل می شوند..
بیان ژن در چندین سطح کنترل می شود. مهمترین مرحله تنظیم رونویسی است. معنای بیولوژیکی این مکانیسم حفظ مقدار مورد نیاز پروتئین های مختلف مورد نیاز یک سلول یا ارگانیسم در یک لحظه خاص از وجود است.
تنظیم بیوسنتز در سطوح دیگر، مانند پردازش، ترجمه و انتقال RNA از هسته به سیتوپلاسم وجود دارد (این مورد در پروکاریوت ها وجود ندارد). هنگامی که این سیستم ها به طور مثبت تنظیم شوند، مسئول تولید پروتئینی بر اساس ژن فعال شده هستند که معنای بیولوژیکی رونویسی است. با این حال، در هر مرحله می توان زنجیره را به حالت تعلیق درآورد. برخی از ویژگی‌های تنظیمی در یوکاریوتها (موتورهای جایگزین، پیرایش، اصلاح مکان‌های پلی آدنلاسیون) منجر به ظهور انواع مختلف مولکول‌های پروتئین بر اساس یک توالی DNA می‌شوند.
از آنجایی که تشکیل RNA اولین گام در رمزگشایی اطلاعات ژنتیکی در مسیر بیوسنتز پروتئین است، نقش بیولوژیکی فرآیند رونویسی در اصلاح فنوتیپ سلولی بسیار مهمتر از تنظیم پردازش یا ترجمه است..
تعیین فعالیت ژنهای خاص به شرح زیر استدر هر دو پروکاریوت ها و یوکاریوت ها، در مرحله شروع با کمک سوئیچ های خاص، که شامل مناطق تنظیم کننده DNA و فاکتورهای رونویسی (TFs) است، رخ می دهد. عملکرد چنین سوئیچ ها مستقل نیست، اما تحت کنترل دقیق سایر سیستم های سلولی است. همچنین مکانیسم‌هایی برای تنظیم غیر اختصاصی سنتز RNA وجود دارد که عبور طبیعی شروع، افزایش طول و پایان را تضمین می‌کند.
مفهوم فاکتورهای رونویسی
بر خلاف عناصر تنظیم کننده ژنوم، فاکتورهای رونویسی از نظر شیمیایی پروتئین هستند. با اتصال به مناطق خاصی از DNA، آنها می توانند فرآیند رونویسی را فعال، مهار، تسریع یا کند کنند.
بسته به اثر تولید شده، فاکتورهای رونویسی پروکاریوت ها و یوکاریوت ها را می توان به دو گروه تقسیم کرد: فعال کننده ها (شروع کننده یا افزایش شدت سنتز RNA) و سرکوب کننده ها (سرکوب یا مهار کننده فرآیند). در حال حاضر، بیش از 2000 TF در موجودات مختلف یافت شده است.
تنظیم رونویسی در پروکاریوتها
در پروکاریوتها، کنترل سنتز RNA عمدتاً در مرحله شروع به دلیل برهمکنش TF با ناحیه خاصی از رونویسی - عملگری که در کنار پروموتر قرار دارد (گاهی اوقات با آن متقاطع می شود) اتفاق می افتد و در واقع، محل فرود پروتئین تنظیم کننده (فعال کننده یا سرکوب کننده) است. باکتری ها با روش دیگری برای کنترل افتراقی ژن ها مشخص می شوند - سنتز زیرواحدهای σ جایگزین که برای گروه های مختلف پروموتورها در نظر گرفته شده است.
بیان جزئی اپرونرا می توان در مراحل ازدیاد طول و خاتمه تنظیم کرد، اما نه به دلیل TFهای متصل به DNA، بلکه به دلیل تعامل پروتئین با RNA پلیمراز. اینها شامل پروتئین‌های Gre و فاکتورهای ضد ترمیناتور Nus و RfaH می‌شوند.
طولانی شدن و خاتمه رونویسی در پروکاریوتها به روشی خاص تحت تأثیر سنتز پروتئین موازی است. در یوکاریوت ها، هم خود این فرآیندها و هم فاکتورهای رونویسی و ترجمه از هم جدا هستند، به این معنی که از نظر عملکردی به هم مرتبط نیستند.
فعال و سرکوبگر
پروکاریوتها دو مکانیسم تنظیم رونویسی در مرحله شروع دارند:
- مثبت - توسط پروتئین های فعال کننده انجام می شود؛
- منفی - توسط سرکوبگرها کنترل می شود.
هنگامی که فاکتور به طور مثبت تنظیم می شود، اتصال فاکتور به اپراتور ژن را فعال می کند و زمانی که منفی باشد، برعکس، آن را خاموش می کند. توانایی یک پروتئین تنظیم کننده برای اتصال به DNA به اتصال لیگاند بستگی دارد. نقش دومی معمولاً توسط متابولیت های سلولی با وزن مولکولی کم ایفا می شود که در این مورد به عنوان فعال کننده و مهارکننده عمل می کنند.
مکانیسم عمل رپرسور بر اساس همپوشانی نواحی پروموتر و اپراتور است. در اپرون‌های با این ساختار، اتصال یک فاکتور پروتئینی به DNA، بخشی از محل فرود RNA پلیمراز را می‌بندد و از شروع رونویسی جلوگیری می‌کند.
فعال‌کننده‌ها روی تقویت‌کننده‌های ضعیف و با عملکرد کم کار می‌کنند که توسط RNA پلیمرازها به خوبی شناسایی نمی‌شوند یا به سختی ذوب می‌شوند (رشته‌های مارپیچ جداDNA مورد نیاز برای شروع رونویسی). با پیوستن به اپراتور، فاکتور پروتئین با پلیمراز تعامل می کند و احتمال شروع را به طور قابل توجهی افزایش می دهد. فعال‌کننده‌ها می‌توانند شدت رونویسی را 1000 برابر افزایش دهند.
برخی TFهای پروکاریوتی بسته به موقعیت اپراتور در رابطه با پروموتر می توانند هم به عنوان فعال کننده و هم به عنوان سرکوبگر عمل کنند: اگر این نواحی با هم همپوشانی داشته باشند، فاکتور رونویسی را مهار می کند، در غیر این صورت باعث می شود.
| تابع لیگاند با توجه به عامل | ایالت لیگاند | مقررات منفی | مقررات مثبت |
| جداسازی از DNA را فراهم می کند | پیوستن | حذف پروتئین سرکوبگر، فعال شدن ژن | حذف پروتئین فعال کننده، خاموش شدن ژن |
| فاکتور را به DNA اضافه می کند | حذف | حذف رپرسور، گنجاندن رونویسی | حذف فعال کننده، خاموش کردن رونویسی |
تنظیم منفی را می توان به عنوان مثال اپرون تریپتوفان باکتری E. coli در نظر گرفت که با قرار گرفتن اپراتور در توالی پروموتر مشخص می شود. پروتئین سرکوبگر با اتصال دو مولکول تریپتوفان فعال می شود که زاویه دامنه اتصال به DNA را تغییر می دهد تا بتواند وارد شیار اصلی مارپیچ دوگانه شود. در غلظت کم تریپتوفان، رپرسور لیگاند خود را از دست می دهد و دوباره غیر فعال می شود. به عبارت دیگر، فراوانی شروع رونویسیبا مقدار متابولیت نسبت معکوس دارد.
برخی اپرون های باکتریایی (به عنوان مثال، لاکتوز) مکانیسم های تنظیمی مثبت و منفی را با هم ترکیب می کنند. چنین سیستمی زمانی ضروری است که یک سیگنال برای کنترل منطقی بیان کافی نباشد. بنابراین، اپرون لاکتوز آنزیم هایی را رمزگذاری می کند که به داخل سلول منتقل می شوند و سپس لاکتوز را تجزیه می کنند، منبع انرژی جایگزین که سود کمتری نسبت به گلوکز دارد. بنابراین، تنها در غلظت پایین دومی، پروتئین CAP به DNA متصل می شود و رونویسی را آغاز می کند. با این حال، این فقط در حضور لاکتوز توصیه می شود، که عدم وجود آن منجر به فعال شدن رپرسور Lac می شود، که دسترسی پلیمراز به پروموتر را حتی در حضور یک شکل عملکردی پروتئین فعال کننده مسدود می کند.
به دلیل ساختار اپرون در باکتری ها، چندین ژن توسط یک ناحیه تنظیمی و 1-2 TF کنترل می شوند، در حالی که در یوکاریوت ها، یک ژن واحد دارای تعداد زیادی عنصر تنظیم کننده است که هر کدام به بسیاری دیگر وابسته هستند. عوامل. این پیچیدگی با سطح بالای سازماندهی یوکاریوت ها و به ویژه موجودات چند سلولی مطابقت دارد.
تنظیم سنتز mRNA در یوکاریوتها
کنترل بیان ژن یوکاریوتی با عملکرد ترکیبی دو عنصر تعیین می‌شود: حقایق رونویسی پروتئین (TF) و توالی‌های تنظیم‌کننده DNA که می‌توانند در کنار پروموتر، بسیار بالاتر از آن، در اینترون‌ها یا بعد از آن قرار گیرند. ژن (به معنی منطقه کد کننده، و نه یک ژن به معنای کامل آن).
برخی مناطق به عنوان سوئیچ عمل می کنند، برخی دیگر تعامل ندارندمستقیماً با TF، اما به مولکول DNA انعطاف لازم برای تشکیل یک ساختار حلقه مانند را می دهد که فرآیند فعال سازی رونویسی را همراهی می کند. چنین نواحی را اسپیسر می نامند. تمام توالی های تنظیمی همراه با پروموتر ناحیه کنترل ژن را تشکیل می دهند.
شایان ذکر است که عمل خود فاکتورهای رونویسی تنها بخشی از یک تنظیم پیچیده چندسطحی بیان ژنتیکی است که در آن تعداد زیادی عنصر به ناقل حاصل جمع می‌شوند که تعیین می‌کند آیا RNA خواهد بود یا خیر. در نهایت از ناحیه خاصی از ژنوم سنتز شود.
یک عامل اضافی در کنترل رونویسی در سلول هسته ای تغییر در ساختار کروماتین است. در اینجا، هر دو تنظیم کل (ارائه شده توسط توزیع مناطق هتروکروماتین و یوکروماتین) و تنظیم محلی مرتبط با یک ژن خاص وجود دارد. برای کارکرد پلیمراز، تمام سطوح تراکم DNA، از جمله نوکلئوزوم، باید حذف شوند.
تنوع فاکتورهای رونویسی در یوکاریوت ها با تعداد زیادی تنظیم کننده مرتبط است که شامل تقویت کننده ها، خفه کن ها (تقویت کننده ها و خفه کن ها) و همچنین عناصر آداپتور و عایق می شود. این مکان ها می توانند هم در نزدیکی و هم در فاصله قابل توجهی از ژن (تا 50 هزار جفت باز) قرار گیرند.
تقویت کننده ها، خفه کن ها و عناصر آداپتور
تقویت‌کننده‌ها DNA متوالی کوتاهی هستند که می‌توانند هنگام تعامل با پروتئین تنظیم‌کننده رونویسی را تحریک کنند. تقریب تقویت کننده به ناحیه پروموتر ژنبه دلیل تشکیل یک ساختار حلقه مانند از DNA انجام می شود. اتصال یک فعال کننده به یک تقویت کننده باعث تحریک مونتاژ کمپلکس آغازین می شود یا به پلیمراز کمک می کند تا ازدیاد طول بکشد.
افزایش دهنده ساختار پیچیده ای دارد و از چندین مکان ماژول تشکیل شده است که هر کدام پروتئین تنظیمی خاص خود را دارند.
خاموش کننده ها نواحی DNA هستند که امکان رونویسی را سرکوب می کنند یا کاملاً منتفی می کنند. مکانیسم عملکرد چنین سوئیچ هنوز ناشناخته است. یکی از روش های فرضی، اشغال مناطق بزرگ DNA توسط پروتئین های ویژه گروه SIR است که دسترسی به فاکتورهای شروع را مسدود می کند. در این حالت، تمام ژن‌هایی که در چند هزار جفت باز از صدا خفه‌کننده قرار دارند، خاموش می‌شوند.
عناصر آداپتور در ترکیب با TFهایی که به آنها متصل می شوند، یک کلاس جداگانه از سوئیچ های ژنتیکی را تشکیل می دهند که به طور انتخابی به هورمون های استروئیدی، AMP حلقوی و گلوکوکورتیکوئیدها پاسخ می دهند. این بلوک تنظیمی مسئول پاسخ سلول به شوک حرارتی، قرار گرفتن در معرض فلزات و برخی ترکیبات شیمیایی است.
در میان مناطق کنترل DNA، نوع دیگری از عناصر متمایز می شود - عایق ها. اینها توالی های خاصی هستند که از تأثیر عوامل رونویسی بر ژن های دور جلوگیری می کنند. مکانیسم عمل عایق ها هنوز مشخص نشده است.
عوامل رونویسی یوکاریوتی
اگر فاکتورهای رونویسی در باکتری ها فقط یک عملکرد تنظیمی دارند، در سلول های هسته ای یک گروه کامل از TF وجود دارد که شروع پس زمینه را فراهم می کند، اما در عین حال مستقیماً به اتصال به آن بستگی دارد.پروتئین های تنظیم کننده DNA تعداد و تنوع دومی در یوکاریوت ها بسیار زیاد است. بنابراین، در بدن انسان، نسبت توالی‌هایی که فاکتورهای رونویسی پروتئین را کد می‌کنند، حدود 10 درصد از ژنوم است.
تا به امروز، TF های یوکاریوتی، و همچنین مکانیسم های عملکرد سوئیچ های ژنتیکی، که ساختار آن بسیار پیچیده تر از مدل های تنظیم مثبت و منفی در باکتری ها است، به خوبی شناخته نشده است. بر خلاف دومی، فعالیت فاکتورهای رونویسی سلول های هسته ای نه تحت تأثیر یک یا دو، بلکه ده ها و حتی صدها سیگنال است که می توانند یکدیگر را تقویت، تضعیف یا حذف کنند.
از یک طرف، فعال شدن یک ژن خاص به گروه کاملی از فاکتورهای رونویسی نیاز دارد، اما از سوی دیگر، یک پروتئین تنظیمی ممکن است برای تحریک بیان چندین ژن توسط مکانیسم آبشاری کافی باشد. کل این سیستم یک کامپیوتر پیچیده است که سیگنال ها را از منابع مختلف (چه خارجی و چه داخلی) پردازش می کند و اثرات آنها را با علامت مثبت یا منفی به نتیجه نهایی اضافه می کند.
فاکتورهای رونویسی تنظیمی در یوکاریوت ها (فعال کننده ها و سرکوب کننده ها) مانند باکتری ها با اپراتور تعامل ندارند، بلکه با مکان های کنترلی که روی DNA پراکنده شده اند و شروع را از طریق واسطه ها، که می توانند پروتئین های واسطه، عوامل کمپلکس شروع باشند، تحت تاثیر قرار می دهند. و آنزیم هایی که ساختار کروماتین را تغییر می دهند.
به استثنای برخی از TFهای موجود در کمپلکس پیش از شروع، همه فاکتورهای رونویسی دارای یک دامنه اتصال به DNA هستند که متمایز می شود.آنها از پروتئین های متعدد دیگری هستند که عبور طبیعی رونویسی را تضمین می کنند یا به عنوان واسطه در تنظیم آن عمل می کنند.
مطالعات اخیر نشان داده اند که TFهای یوکاریوتی می توانند نه تنها بر شروع، بلکه بر طویل شدن رونویسی نیز تأثیر بگذارند.
تنوع و طبقه بندی
در یوکاریوت ها، 2 گروه از فاکتورهای رونویسی پروتئین وجود دارد: پایه (که در غیر این صورت کلی یا اصلی نامیده می شود) و تنظیم کننده. اولی ها مسئول شناخت مروجین و ایجاد مجتمع پیش از شروع هستند. برای شروع رونویسی لازم است. این گروه شامل چندین ده پروتئین است که همیشه در سلول وجود دارد و بر بیان متفاوت ژن ها تأثیر نمی گذارد.
مجموعه فاکتورهای رونویسی پایه ابزاری مشابه عملکرد زیرواحد سیگما در باکتری ها است، فقط پیچیده تر است و برای همه انواع پروموترها مناسب است.
عوامل نوع دیگری بر رونویسی از طریق تعامل با توالی های تنظیم کننده DNA تأثیر می گذارد. از آنجایی که این آنزیم ها مختص ژن هستند، تعداد زیادی از آنها وجود دارد. آنها با اتصال به مناطقی از ژنهای خاص، ترشح پروتئین‌های خاصی را کنترل می‌کنند.
طبقه بندی فاکتورهای رونویسی در یوکاریوت ها بر اساس سه اصل است:
- مکانیسم عمل؛
- شرایط عملکرد؛
- ساختار دامنه اتصال به DNA.
طبق ویژگی اول، ۲ دسته از عوامل وجود دارد: پایه (تعامل با پروموتر) و اتصال به مناطق بالادست (مناطق تنظیمی واقع در بالادست ژن). این نوعطبقه بندی اساساً با تقسیم عملکردی TF به عمومی و اختصاصی مطابقت دارد. عوامل بالادست بسته به نیاز به فعال سازی اضافی به 2 گروه تقسیم می شوند.
با توجه به ویژگی‌های عملکرد، TFهای سازنده متمایز می‌شوند (همیشه در هر سلولی وجود دارند) و القایی هستند (ویژگی همه انواع سلول نیست و ممکن است به مکانیسم‌های فعال‌سازی خاصی نیاز داشته باشد). عوامل گروه دوم به نوبه خود به سلول های خاص (در انتوژنیک شرکت می کنند، با کنترل بیان دقیق مشخص می شوند، اما نیازی به فعال سازی ندارند) و وابسته به سیگنال تقسیم می شوند. دومی ها بر اساس نوع و نحوه عملکرد سیگنال فعال کننده متمایز می شوند.
طبقه بندی ساختاری فاکتورهای رونویسی پروتئین بسیار گسترده است و شامل 6 سوپرکلاس است که شامل کلاس ها و خانواده های بسیاری می شود.
اصل عملیات
عملکرد فاکتورهای پایه یک مجموعه آبشاری از زیر واحدهای مختلف با تشکیل کمپلکس آغازین و فعال سازی رونویسی است. در واقع، این فرآیند آخرین مرحله در عملکرد پروتئین فعال کننده است.
عوامل خاص می توانند رونویسی را در دو مرحله تنظیم کنند:
- مونتاژ مجتمع آغازین؛
- گذار به ازدیاد طول مولد.
در حالت اول، کار TFهای خاص به بازآرایی اولیه کروماتین و همچنین جذب، جهت گیری و اصلاح واسطه، پلیمراز و فاکتورهای پایه روی پروموتر کاهش می یابد که منجر به فعال شدن می شود. از رونویسی عنصر اصلی انتقال سیگنال واسطه است - مجموعه ای از 24 زیر واحد که در آن عمل می کنندبه عنوان یک واسطه بین پروتئین تنظیم کننده و RNA پلیمراز. توالی فعل و انفعالات برای هر ژن و عامل مربوط به آن جداگانه است.
تنظیم ازدیاد طول به دلیل برهمکنش فاکتور با پروتئین P-Tef-b انجام می شود که به RNA پلیمراز کمک می کند تا بر مکث مرتبط با پروموتر غلبه کند.
ساختارهای عملکردی TF
فاکتورهای رونویسی ساختاری مدولار دارند و کار خود را از طریق سه حوزه عملکردی انجام می دهند:
- اتصال به DNA (DBD) - برای شناسایی و تعامل با ناحیه تنظیم کننده ژن لازم است.
- ترانس فعال کننده (TAD) - امکان تعامل با سایر پروتئین های تنظیم کننده، از جمله فاکتورهای رونویسی را فراهم می کند.
- Signal-Recognizing (SSD) - برای درک و انتقال سیگنال های نظارتی لازم است.
به نوبه خود، دامنه اتصال به DNA انواع مختلفی دارد. انگیزه های اصلی در ساختار آن عبارتند از:
- "انگشت روی";
- homeodomain;
- لایه‌های "β";
- حلقه;
- "رعد و برق لوسین";
- spiral-loop-spiral;
- spiral-turn-spiral.
به لطف این دامنه، فاکتور رونویسی توالی نوکلئوتیدی DNA را به شکل الگویی روی سطح مارپیچ دوگانه "خوانده" می کند. به همین دلیل، شناسایی خاص برخی از عناصر نظارتی امکان پذیر است.
برهم کنش نقوش با مارپیچ DNA بر اساس مطابقت دقیق بین سطوح اینها است.مولکول ها.
تنظیم و سنتز TF
راه های مختلفی برای تنظیم تأثیر عوامل رونویسی بر رونویسی وجود دارد. این موارد عبارتند از:
- فعال سازی - تغییر در عملکرد عامل در رابطه با DNA به دلیل فسفوریلاسیون، اتصال لیگاند یا برهمکنش با سایر پروتئین های تنظیم کننده (از جمله TF)؛
- انتقال - انتقال یک عامل از سیتوپلاسم به هسته؛
- در دسترس بودن محل اتصال - به درجه تراکم کروماتین بستگی دارد (در حالت هتروکروماتین، DNA برای TF در دسترس نیست)؛
- مجموعه ای از مکانیسم هایی که مشخصه سایر پروتئین ها نیز هستند (تنظیم همه فرآیندها از رونویسی تا اصلاح پس از ترجمه و محلی سازی درون سلولی).
آخرین روش ترکیب کمی و کیفی فاکتورهای رونویسی را در هر سلول تعیین می کند. برخی از TFها قادرند سنتز خود را بر اساس نوع بازخورد کلاسیک تنظیم کنند، زمانی که محصول خود به بازدارنده واکنش تبدیل شود. در این مورد، غلظت معینی از فاکتور، رونویسی ژن کد کننده آن را متوقف می کند.
عوامل رونویسی عمومی
این فاکتورها برای شروع رونویسی هر ژنی ضروری هستند و بسته به نوع RNA پلیمرازی که با آن تعامل دارند در نامگذاری به عنوان TFl، TFll و TFlll تعیین می شوند. هر عامل از چندین زیر واحد تشکیل شده است.
TFهای پایه سه عملکرد اصلی را انجام می دهند:
- محل صحیح RNA پلیمراز روی پروموتر؛
- آزادسازی پلیمراز ازپروموتر در لحظه انتقال به کشیدگی؛
بازکردن زنجیره های DNA در ناحیه شروع رونویسی؛
زیرواحدهای خاصی از فاکتورهای رونویسی پایه به عناصر تنظیم کننده پروموتر متصل می شوند. مهمترین آنها جعبه TATA (که مشخصه همه ژنها نیست) است که در فاصله "35-" نوکلئوتید از نقطه شروع قرار دارد. سایر مکان‌های اتصال شامل توالی‌های INR، BRE و DPE هستند. برخی از TF ها مستقیماً با DNA تماس ندارند.
گروه فاکتورهای رونویسی اصلی RNA پلیمراز ll شامل TFllD، TFllB، TFllF، TFllE و TFllH است. حرف لاتین در انتهای نام نشان دهنده ترتیب تشخیص این پروتئین ها است. بنابراین، فاکتور TFlllA که متعلق به llll RNA پلیمراز است، اولین عاملی بود که جدا شد.
| نام | تعداد زیرواحدهای پروتئین | عملکرد |
| TFllD | 16 (TBP +15 TAF) | TBP به جعبه TATA متصل می شود و TAF ها سایر توالی های پروموتر را تشخیص می دهند |
| TFllB | 1 | عنصر BRE را می شناسد، به دقت پلیمراز را در محل شروع جهت گیری می کند |
| TFllF | 3 | برهمکنش پلیمراز را با TBP و TFllB تثبیت می کند، اتصال TFllE و TFllH را تسهیل می کند |
| TFllE | 2 | اتصال و تنظیم TFllH |
| TFllH | 10 | زنجیره های DNA را در نقطه شروع جدا می کند، آنزیم سنتز کننده RNA را از پروموتر و فاکتورهای اصلی رونویسی آزاد می کند (بیوشیمی)فرآیند بر اساس فسفوریلاسیون دامنه Cer5-C ترمینال RNA پلیمراز است) |
مجموعه TF پایه فقط با کمک یک فعال کننده، یک واسطه و پروتئین های اصلاح کننده کروماتین انجام می شود.
TF خاص
از طریق کنترل بیان ژنتیکی، این فاکتورهای رونویسی فرآیندهای بیوسنتزی سلول‌های منفرد و کل ارگانیسم را از جنین‌زایی گرفته تا سازگاری فنوتیپی خوب تا شرایط محیطی تغییر می‌دهند. حوزه نفوذ TF شامل 3 بلوک اصلی است:
- تکامل (جنین و انتوژن)؛
- چرخه سلولی;
- پاسخ به سیگنال های خارجی.
گروه خاصی از فاکتورهای رونویسی تمایز مورفولوژیکی جنین را تنظیم می کنند. این مجموعه پروتئین توسط یک توالی اجماع ویژه 180 جفت باز به نام homeobox کدگذاری می شود.
برای تعیین اینکه کدام ژن باید رونویسی شود، پروتئین تنظیم کننده باید یک محل خاص DNA را که به عنوان یک سوئیچ ژنتیکی عمل می کند (تقویت کننده، خاموش کننده و غیره) "پیدا" کند و به آن متصل شود. هر کدام از این توالی مربوط به یک یا چند فاکتور رونویسی مرتبط هستند که مکان مورد نظر را به دلیل همزمانی ترکیبات شیمیایی یک بخش خارجی خاص از مارپیچ و حوزه اتصال به DNA تشخیص می دهند (اصل قفل کلید). برای تشخیص، از ناحیه ای از ساختار اولیه DNA به نام شیار اصلی استفاده می شود.
پس از اتصال به عمل DNAپروتئین فعال کننده مجموعه ای از مراحل متوالی را ایجاد می کند که منجر به جمع آوری کمپلکس اولیه می شود. طرح کلی این فرآیند به شرح زیر است:
- اتصال فعال کننده به کروماتین در ناحیه پروموتر، به کارگیری کمپلکس های بازآرایی وابسته به ATP.
- بازآرایی کروماتین، فعال سازی پروتئین های اصلاح کننده هیستون.
- اصلاح کووالانسی هیستون ها، جذب سایر پروتئین های فعال کننده.
- اتصال پروتئین های فعال کننده اضافی به ناحیه تنظیم کننده ژن.
- مشارکت یک میانجی و TF عمومی.
- مونتاژ کمپلکس پیش از شروع روی پروموتر.
- تاثیر سایر پروتئین های فعال کننده، بازآرایی زیرواحدهای کمپلکس پیش از شروع.
- شروع رونویسی.
ترتیب این رویدادها ممکن است از ژنی به ژن دیگر متفاوت باشد.
با چنین تعداد زیادی از مکانیسم های فعال سازی، طیف وسیعی از روش های سرکوب مطابقت دارد. یعنی با مهار یکی از مراحل در مسیر شروع، پروتئین تنظیم کننده می تواند اثربخشی آن را کاهش دهد یا به طور کامل آن را مسدود کند. اغلب اوقات، سرکوب کننده چندین مکانیسم را به طور همزمان فعال می کند و عدم رونویسی را تضمین می کند.
کنترل هماهنگ ژنها
علیرغم این واقعیت که هر رونویسی سیستم تنظیمی خاص خود را دارد، یوکاریوت ها مکانیسمی دارند که مانند باکتری ها اجازه می دهد تا گروه هایی از ژن ها را با هدف انجام یک کار خاص شروع یا متوقف کنند. این توسط یک فاکتور تعیین کننده رونویسی که ترکیب ها را کامل می کند به دست می آیدسایر عناصر تنظیمی لازم برای حداکثر فعال سازی یا سرکوب ژن.
در رونوشت‌های مشمول چنین تنظیمی، برهمکنش اجزای مختلف منجر به پروتئین مشابهی می‌شود که به عنوان ناقل حاصل عمل می‌کند. بنابراین، فعال شدن چنین عاملی به طور همزمان بر چندین ژن تأثیر می گذارد. این سیستم بر اساس اصل یک آبشار کار می کند.
طرح کنترل هماهنگ را می توان به عنوان مثال تمایز انتوژنتیک سلول های ماهیچه اسکلتی که پیش سازهای آن میوبلاست هستند در نظر گرفت.
رونویسی ژن‌هایی که سنتز پروتئین‌های مشخصه یک سلول ماهیچه‌ای بالغ را کد می‌کنند توسط هر یک از چهار عامل میوژنیک ایجاد می‌شود: MyoD، Myf5، MyoG و Mrf4. این پروتئین‌ها سنتز خود و یکدیگر را فعال می‌کنند و همچنین شامل ژنهای فاکتور رونویسی اضافی Mef2 و پروتئین‌های ساختاری عضلات می‌شوند. Mef2 در تنظیم تمایز بیشتر میوبلاست‌ها نقش دارد، در حالی که به طور همزمان غلظت پروتئین‌های میوژنیک را با مکانیسم بازخورد مثبت حفظ می‌کند.
