Բոլոր օրգանիզմներում (բացառությամբ որոշ վիրուսների) գենետիկական նյութի ներդրումը տեղի է ունենում ըստ ԴՆԹ-ՌՆԹ-սպիտակուցային համակարգի: Առաջին փուլում տեղեկատվությունը վերագրվում է (տառադարձվում) մի նուկլեինաթթվից մյուսը: Սպիտակուցները, որոնք կարգավորում են այս գործընթացը, կոչվում են տրանսկրիպցիոն գործոններ։
Ի՞նչ է տառադարձումը
Տրանսկրիպցիան ՌՆԹ-ի մոլեկուլի կենսասինթեզն է՝ հիմնված ԴՆԹ կաղապարի վրա: Դա հնարավոր է նուկլեինաթթուներ կազմող որոշակի ազոտային հիմքերի փոխլրացման շնորհիվ։ Սինթեզն իրականացվում է մասնագիտացված ֆերմենտների՝ ՌՆԹ պոլիմերազների միջոցով և վերահսկվում է բազմաթիվ կարգավորող սպիտակուցներով։
Ամբողջ գենոմը միանգամից չի տառադարձվում, այլ դրա միայն որոշակի հատվածը, որը կոչվում է տրանսկրիպտոն: Վերջինս ներառում է պրոմոտոր (ՌՆԹ պոլիմերազի կցման վայրը) և տերմինատոր (հաջորդականություն, որն ակտիվացնում է սինթեզի ավարտը):
Պրոկարիոտիկ տրանսկրիպտոնը օպերոն է, որը բաղկացած է մի քանի կառուցվածքային գեներից (ցիստրոններ): Դրա հիման վրա սինթեզվում է պոլիցիստրոնիկ ՌՆԹ,որը պարունակում է տեղեկատվություն ֆունկցիոնալորեն կապված մի խումբ սպիտակուցների ամինաթթուների հաջորդականության մասին: Էուկարիոտիկ տրանսկրիպտոնը պարունակում է միայն մեկ գեն:
Տրանսկրիպցիոն գործընթացի կենսաբանական դերը կաղապարային ՌՆԹ-ի հաջորդականությունների ձևավորումն է, որի հիման վրա ռիբոսոմներում իրականացվում է սպիտակուցի սինթեզ (թարգմանություն):
ՌՆԹ-ի սինթեզ պրոկարիոտներում և էուկարիոտներում
ՌՆԹ-ի սինթեզի սխեման նույնն է բոլոր օրգանիզմների համար և ներառում է 3 փուլ՝
- Սկիզբ - պոլիմերազի միացում պրոմոտորին, գործընթացի ակտիվացում։
- Երկարացում - նուկլեոտիդային շղթայի երկարացում 3'-ից մինչև 5' ուղղությամբ՝ ազոտային հիմքերի միջև ֆոսֆոդիստերային կապերի փակմամբ, որոնք ընտրվում են որպես ԴՆԹ մոնոմերների լրացում:
- Դադարումը սինթեզի գործընթացի ավարտն է։
Պրոկարիոտներում ՌՆԹ-ի բոլոր տեսակները տառադարձվում են մեկ ՌՆԹ պոլիմերազով, որը բաղկացած է հինգ պրոտոմերներից (β, β', ω և երկու α ենթամիավորներից), որոնք միասին կազմում են միջուկ-ֆերմենտ, որը կարող է մեծացնել ռիբոնուկլեոտիդների շղթան:. Կա նաև լրացուցիչ σ միավոր, առանց որի պոլիմերազի միացումը պրոմոտորին անհնար է։ Միջուկի և սիգմա գործոնի բարդույթը կոչվում է հոլոֆերմենտ:
Չնայած այն հանգամանքին, որ σ ենթամիավորը միշտ չէ, որ կապված է միջուկի հետ, այն համարվում է ՌՆԹ պոլիմերազի մաս։ Դիսոցացված վիճակում սիգման ի վիճակի չէ կապվել պրոմոտորին, միայն որպես հոլոֆերմենտի մի մաս: Մեկնարկի ավարտից հետո այս պրոտոմերն առանձնանում է միջուկից՝ փոխարինվելով երկարացման գործակցով։
Հատկանիշպրոկարիոտները թարգմանության և տառադարձման գործընթացների համակցություն է: Ռիբոսոմները անմիջապես միանում են ՌՆԹ-ին, որը սկսում է սինթեզվել և կառուցում ամինաթթուների շղթա։ Տառադարձումը դադարում է տերմինատորի շրջանում մազակալի կառուցվածքի ձևավորման պատճառով: Այս փուլում ԴՆԹ-պոլիմերազ-ՌՆԹ համալիրը քայքայվում է։
Էուկարիոտիկ բջիջներում տրանսկրիպցիան իրականացվում է երեք ֆերմենտների միջոցով.
- ՌՆԹ պոլիմերազ l – սինթեզում է 28S և 18S-ռիբոսոմային ՌՆԹ:
- ՌՆԹ պոլիմերազ ll – տառադարձում է սպիտակուցները և փոքր միջուկային ՌՆԹ-ները կոդավորող գեները:
- ՌՆԹ պոլիմերազ lll - պատասխանատու է tRNA և 5S rRNA (ռիբոսոմների փոքր ենթամիավոր) սինթեզի համար.
Այս ֆերմենտներից և ոչ մեկը ի վիճակի չէ տրանսկրիպցիա սկսել առանց հատուկ սպիտակուցների մասնակցության, որոնք ապահովում են փոխազդեցությունը խթանողի հետ: Գործընթացի էությունը նույնն է, ինչ պրոկարիոտներում, բայց յուրաքանչյուր փուլ շատ ավելի բարդ է ավելի մեծ թվով ֆունկցիոնալ և կարգավորող տարրերի, ներառյալ քրոմատին փոփոխող տարրերի մասնակցությամբ: Միայն մեկնարկային փուլում ներգրավված են մոտ հարյուր սպիտակուցներ, ներառյալ տրանսկրիպցիոն մի շարք գործոններ, մինչդեռ բակտերիաների դեպքում մեկ սիգմա ենթամիավորը բավական է պրոմոտորին միանալու համար, և երբեմն անհրաժեշտ է ակտիվացնողի օգնությունը:
:
Տրանսկրիպցիայի կենսաբանական դերի ամենակարևոր ներդրումը տարբեր տեսակի սպիտակուցների կենսասինթեզում որոշում է գեների ընթերցման վերահսկման խիստ համակարգի անհրաժեշտությունը:
Տրանսկրիպցիոն կանոնակարգ
Ոչ մի բջիջում գենետիկական նյութն ամբողջությամբ չի իրացվում. գեների միայն մի մասն է տրանսկրիպացված, իսկ մնացածը՝ ոչ ակտիվ: Դա հնարավոր է համալիրի շնորհիվկարգավորող մեխանիզմներ, որոնք որոշում են ԴՆԹ-ի որ հատվածներից և ինչ քանակությամբ ՌՆԹ-ի հաջորդականությունները կսինթեզվեն։
Միաբջջային օրգանիզմներում գեների դիֆերենցիալ ակտիվությունն ունի հարմարվողական արժեք, մինչդեռ բազմաբջիջ օրգանիզմներում այն նաև որոշում է սաղմի և օնտոգենեզի գործընթացները, երբ մեկ գենոմի հիման վրա ձևավորվում են տարբեր տեսակի հյուսվածքներ։
Գենի արտահայտությունը վերահսկվում է մի քանի մակարդակներում: Ամենակարևոր քայլը տրանսկրիպցիայի կարգավորումն է։ Այս մեխանիզմի կենսաբանական իմաստը գոյության որոշակի պահին բջջի կամ օրգանիզմի կողմից պահանջվող տարբեր սպիտակուցների անհրաժեշտ քանակի պահպանումն է։
Կա կենսասինթեզի ճշգրտում այլ մակարդակներում, ինչպիսիք են՝ մշակումը, թարգմանությունը և ՌՆԹ-ի փոխադրումը միջուկից դեպի ցիտոպլազմա (վերջինս բացակայում է պրոկարիոտներում): Երբ դրականորեն կարգավորվում են, այս համակարգերը պատասխանատու են ակտիվացված գենի վրա հիմնված սպիտակուցի արտադրության համար, որը տրանսկրիպցիայի կենսաբանական նշանակությունն է: Այնուամենայնիվ, ցանկացած փուլում շղթան կարող է կասեցվել: Էուկարիոտների որոշ կարգավորիչ առանձնահատկություններ (այլընտրանքային խթանիչներ, զուգավորում, պոլիադելյացիոն տեղամասերի ձևափոխում) հանգեցնում են սպիտակուցի մոլեկուլների տարբեր տարբերակների առաջացմանը՝ հիմնված ԴՆԹ-ի նույն հաջորդականության վրա։
Քանի որ ՌՆԹ-ի ձևավորումը սպիտակուցի կենսասինթեզի ճանապարհին գենետիկ տեղեկատվության վերծանման առաջին քայլն է, տրանսկրիպցիայի գործընթացի կենսաբանական դերը բջջի ֆենոտիպը փոփոխելու հարցում շատ ավելի նշանակալի է, քան մշակման կամ թարգմանության կարգավորումը:.
Հատուկ գեների ակտիվության որոշում, ինչպեսև՛ պրոկարիոտների, և՛ էուկարիոտների մոտ այն առաջանում է սկզբնավորման փուլում՝ հատուկ անջատիչների օգնությամբ, որոնք ներառում են ԴՆԹ-ի և տրանսկրիպցիոն գործոնների (ՏՖ) կարգավորող շրջաններ։ Նման անջատիչների շահագործումը ինքնավար չէ, այլ գտնվում է այլ բջջային համակարգերի խիստ հսկողության ներքո: Կան նաև ՌՆԹ-ի սինթեզի ոչ սպեցիֆիկ կարգավորման մեխանիզմներ, որոնք ապահովում են մեկնարկի, երկարացման և ավարտի բնականոն անցումը։
Տրանսկրիպցիոն գործոնների հայեցակարգ
Ի տարբերություն գենոմի կարգավորող տարրերի, տրանսկրիպցիոն գործոնները քիմիապես սպիտակուցներ են: Կապվելով ԴՆԹ-ի որոշակի հատվածների հետ՝ դրանք կարող են ակտիվացնել, արգելակել, արագացնել կամ դանդաղեցնել տառադարձման գործընթացը։
Կախված արտադրված ազդեցությունից՝ պրոկարիոտների և էուկարիոտների տրանսկրիպցիոն գործոնները կարելի է բաժանել երկու խմբի՝ ակտիվացնողներ (սկսում կամ մեծացնում են ՌՆԹ-ի սինթեզի ինտենսիվությունը) և ռեպրեսորներ (ճնշում կամ արգելակում են գործընթացը): Ներկայումս ավելի քան 2000 TF-ներ են հայտնաբերվել տարբեր օրգանիզմներում:
Տրանսկրիպցիոն կարգավորում պրոկարիոտներում
Պրոկարիոտներում ՌՆԹ-ի սինթեզի վերահսկումը հիմնականում տեղի է ունենում սկզբնական փուլում՝ պայմանավորված TF-ի փոխազդեցությամբ տրանսկրիպտոնի որոշակի շրջանի հետ՝ օպերատոր, որը գտնվում է պրոմոտորի կողքին (երբեմն հատվում է դրա հետ) և, ըստ էության, վայրէջք է կարգավորող սպիտակուցի համար (ակտիվատոր կամ ռեպրեսոր): Բակտերիաներին բնորոշ է գեների դիֆերենցիալ վերահսկման մեկ այլ եղանակ՝ այլընտրանքային σ-ենթամիավորների սինթեզ, որոնք նախատեսված են խթանողների տարբեր խմբերի համար։
Մասամբ օպերոնային արտահայտությունկարող է կարգավորվել երկարացման և ավարտի փուլերում, բայց ոչ ԴՆԹ-ի հետ կապող TF-ների, այլ ՌՆԹ պոլիմերազի հետ փոխազդող սպիտակուցների շնորհիվ: Դրանք ներառում են Gre սպիտակուցներ և հակատերմինատոր Nus և RfaH գործոնները:
Պրոկարիոտներում տրանսկրիպցիայի երկարացման և դադարեցման վրա որոշակիորեն ազդում է զուգահեռ սպիտակուցի սինթեզը: Էուկարիոտներում և՛ այս գործընթացները, և՛ տառադարձման և թարգմանության գործոնները տարածականորեն առանձնացված են, ինչը նշանակում է, որ դրանք ֆունկցիոնալորեն կապված չեն:
Ակտիվատորներ և ռեպրեսորներ
Պրոկարիոտները մեկնարկային փուլում ունեն տրանսկրիպցիոն կարգավորման երկու մեխանիզմ՝
- դրական - իրականացվում է ակտիվացնող սպիտակուցներով;
- բացասական - վերահսկվում է ռեպրեսորների կողմից:
Երբ գործոնը դրականորեն կարգավորվում է, գործոնի կցումը օպերատորին ակտիվացնում է գենը, իսկ երբ այն բացասական է, ընդհակառակը, անջատում է այն։ Կարգավորող սպիտակուցի ԴՆԹ-ի հետ կապվելու ունակությունը կախված է լիգանդի կցումից։ Վերջինիս դերը սովորաբար խաղում են ցածր մոլեկուլային քաշի բջջային մետաբոլիտները, որոնք այս դեպքում գործում են որպես կոակտիվատորներ և կորպրեսորներ։
Ռեպրեսորի գործողության մեխանիզմը հիմնված է պրոմոութերի և օպերատորի շրջանների համընկնման վրա: Այս կառուցվածքով օպերոններում սպիտակուցի գործոնի կցումը ԴՆԹ-ին փակում է ՌՆԹ պոլիմերազի վայրէջքի վայրի մի մասը՝ թույլ չտալով վերջինիս տրանսկրիպցիան սկսել։
Ակտիվատորներն աշխատում են թույլ, ցածր ֆունկցիոնալ խթանիչների վրա, որոնք վատ են ճանաչվում ՌՆԹ պոլիմերազների կողմից կամ դժվար է հալվել (առանձին պարուրաձև թելերՏրանսկրիպցիան սկսելու համար պահանջվում է ԴՆԹ): Օպերատորին միանալով՝ սպիտակուցի գործոնը փոխազդում է պոլիմերազի հետ՝ զգալիորեն մեծացնելով սկզբնավորման հավանականությունը։ Ակտիվատորները կարող են 1000 անգամ ավելացնել տառադարձման ինտենսիվությունը։
Որոշ պրոկարիոտային TF-ներ կարող են գործել և որպես ակտիվացնողներ և որպես ռեպրեսորներ՝ կախված օպերատորի գտնվելու վայրից՝ կապված խթանողի հետ. եթե այս շրջանները համընկնում են, գործոնն արգելակում է տրանսկրիպցիան, այլապես այն հրահրում է:
| Լիգանդի ֆունկցիա | Լիգանդի վիճակ | Բացասական կանոնակարգ | Դրական կանոնակարգ |
| Ապահովում է անջատում ԴՆԹ-ից | Միացում | Ռեպրեսորային սպիտակուցի հեռացում, գենի ակտիվացում | Ակտիվացնող սպիտակուցի հեռացում, գենի անջատում |
| Ավելացնում է գործոն ԴՆԹ-ին | Ջնջել | Ռեպրեսորի հեռացում, տառադարձման ընդգրկում | Հեռացնել ակտիվացուցիչը, անջատել տառադարձումը |
Բացասական կարգավորումը կարելի է դիտարկել E. coli բակտերիայի տրիպտոֆան օպերոնի օրինակով, որը բնութագրվում է օպերատորի տեղակայմամբ պրոմոտորային հաջորդականության մեջ: Ռեպրեսորային սպիտակուցը ակտիվանում է տրիպտոֆանի երկու մոլեկուլների միացման արդյունքում, որոնք փոխում են ԴՆԹ-ի հետ կապող տիրույթի անկյունը, որպեսզի այն կարողանա մտնել կրկնակի պարույրի հիմնական ակոս։ Տրիպտոֆանի ցածր կոնցենտրացիայի դեպքում ռեպրեսորը կորցնում է իր լիգանդը և նորից դառնում անգործուն: Այլ կերպ ասած, տառադարձման մեկնարկի հաճախականությունըհակադարձ համեմատական է մետաբոլիտի քանակին։
Որոշ բակտերիալ օպերոններ (օրինակ՝ կաթնաշաքար) համատեղում են դրական և բացասական կարգավորիչ մեխանիզմները։ Նման համակարգը անհրաժեշտ է, երբ մեկ ազդանշանը բավարար չէ արտահայտման ռացիոնալ վերահսկման համար։ Այսպիսով, լակտոզայի օպերոնը կոդավորում է ֆերմենտները, որոնք տեղափոխվում են բջիջ, իսկ հետո քայքայում լակտոզան՝ էներգիայի այլընտրանքային աղբյուր, որն ավելի քիչ եկամտաբեր է, քան գլյուկոզան: Հետևաբար, միայն վերջինիս ցածր կոնցենտրացիայի դեպքում CAP սպիտակուցը միանում է ԴՆԹ-ին և սկսում տրանսկրիպցիան։ Այնուամենայնիվ, դա նպատակահարմար է միայն լակտոզայի առկայության դեպքում, որի բացակայությունը հանգեցնում է Lac ռեպրեսորի ակտիվացմանը, որն արգելափակում է պոլիմերազի մուտքը դեպի պրոմոթոր նույնիսկ ակտիվացնող սպիտակուցի ֆունկցիոնալ ձևի առկայության դեպքում:
Բակտերիաներում օպերոնի կառուցվածքի շնորհիվ մի քանի գեներ վերահսկվում են մեկ կարգավորող շրջանով և 1-2 TF-ով, մինչդեռ էուկարիոտներում մեկ գենն ունի մեծ թվով կարգավորող տարրեր, որոնցից յուրաքանչյուրը կախված է շատ ուրիշներից: գործոններ. Այս բարդությունը համապատասխանում է էուկարիոտների և հատկապես բազմաբջիջ օրգանիզմների կազմակերպվածության բարձր մակարդակին։
ՄՌՆԹ սինթեզի կարգավորում էուկարիոտներում
Էուկարիոտ գենի արտահայտման վերահսկումը որոշվում է երկու տարրերի համակցված գործողությամբ՝ սպիտակուցի տրանսկրիպցիոն փաստեր (TF) և կարգավորող ԴՆԹ-ի հաջորդականություններ, որոնք կարող են տեղակայվել պրոմոտորի կողքին, նրանից շատ ավելի բարձր՝ ինտրոններում կամ դրանից հետո։ գեն (նշանակում է կոդավորման շրջանը, և ոչ թե գեն իր ամբողջական իմաստով):
Որոշ տարածքներ գործում են որպես անջատիչներ, մյուսները չեն փոխազդումուղղակիորեն TF-ի հետ, բայց ԴՆԹ-ի մոլեկուլին տալ ճկունություն, որն անհրաժեշտ է հանգույցի նման կառուցվածքի ձևավորման համար, որն ուղեկցում է տրանսկրիպցիոն ակտիվացման գործընթացին: Նման շրջանները կոչվում են spacers: Բոլոր կարգավորիչ հաջորդականությունները պրոմոտորի հետ միասին կազմում են գեների վերահսկման շրջանը:
Հարկ է նշել, որ ինքնին տրանսկրիպցիոն գործոնների գործողությունը միայն գենետիկական արտահայտման բարդ բազմամակարդակ կարգավորման մի մասն է, որի արդյունքում ստացվող վեկտորին գումարվում են հսկայական թվով տարրեր, որոնք որոշում են, թե արդյոք ՌՆԹ-ն ի վերջո սինթեզվի գենոմի որոշակի հատվածից:
Միջուկային բջիջում տրանսկրիպցիան վերահսկելու լրացուցիչ գործոն է քրոմատինի կառուցվածքի փոփոխությունը: Այստեղ առկա են և՛ ընդհանուր կարգավորումը (ապահովված է հետերոքրոմատինի և էուխրոմատինի շրջանների բաշխմամբ), և՛ տեղական կարգավորումը՝ կապված կոնկրետ գենի հետ: Որպեսզի պոլիմերազն աշխատի, ԴՆԹ-ի խտացման բոլոր մակարդակները, ներառյալ նուկլեոսոմը, պետք է վերացվեն:
Էուկարիոտների տրանսկրիպցիոն գործոնների բազմազանությունը կապված է մեծ թվով կարգավորիչների հետ, որոնք ներառում են ուժեղացուցիչներ, խլացուցիչներ (ուժեղացուցիչներ և խլացուցիչներ), ինչպես նաև ադապտերների տարրեր և մեկուսիչներ: Այս տեղամասերը կարող են տեղակայվել ինչպես մոտ, այնպես էլ գենից զգալի հեռավորության վրա (մինչև 50 հազար bp):
Ուժեղացուցիչներ, խլացուցիչներ և ադապտերների տարրեր
Ուժեղացուցիչները կարճ հաջորդական ԴՆԹ են, որոնք կարող են տառադարձում առաջացնել կարգավորող սպիտակուցի հետ փոխազդեցության ժամանակ: Ուժեղացուցիչի մոտարկումը գենի պրոմոտորային շրջանինիրականացվում է ԴՆԹ-ի օղակաձեւ կառուցվածքի ձևավորման շնորհիվ։ Ակտիվացնողի միացումը ուժեղացուցիչին կա՛մ խթանում է մեկնարկային համալիրի հավաքումը, կա՛մ օգնում է պոլիմերազին երկարաձգվել:
Ուժեղացուցիչն ունի բարդ կառուցվածք և բաղկացած է մի քանի մոդուլային տեղամասերից, որոնցից յուրաքանչյուրն ունի իր կարգավորող սպիտակուցը:
Խլացուցիչները ԴՆԹ-ի շրջաններ են, որոնք ճնշում կամ ամբողջությամբ բացառում են տառադարձման հնարավորությունը: Նման անջատիչի շահագործման մեխանիզմը դեռևս անհայտ է: Ենթադրված մեթոդներից մեկը ԴՆԹ-ի մեծ տարածքների գրավումն է SIR խմբի հատուկ սպիտակուցներով, որոնք արգելափակում են մեկնարկային գործոնների հասանելիությունը: Այս դեպքում խլացուցիչից մի քանի հազար բազային զույգերի սահմաններում գտնվող բոլոր գեներն անջատված են։
Ադապտերի տարրերը TF-ների հետ համատեղ, որոնք կապվում են դրանց հետ, կազմում են գենետիկ անջատիչների առանձին դաս, որոնք ընտրողաբար արձագանքում են ստերոիդ հորմոններին, ցիկլային AMP-ին և գլյուկոկորտիկոիդներին: Այս կարգավորող բլոկը պատասխանատու է ջերմային ցնցումների, մետաղների և որոշ քիմիական միացությունների ազդեցությանը բջիջների արձագանքի համար։
ԴՆԹ-ի հսկողության շրջաններից առանձնանում են տարրերի մեկ այլ տեսակ՝ մեկուսիչներ։ Սրանք հատուկ հաջորդականություններ են, որոնք կանխում են տրանսկրիպցիոն գործոնների ազդեցությունը հեռավոր գեների վրա: Մեկուսիչների գործողության մեխանիզմը դեռ պարզված չէ։
Էուկարիոտիկ տրանսկրիպցիոն գործոններ
Եթե բակտերիաներում տրանսկրիպցիոն գործոններն ունեն միայն կարգավորիչ ֆունկցիա, ապա միջուկային բջիջներում կա TF-ների մի ամբողջ խումբ, որոնք ապահովում են ֆոնային մեկնարկը, բայց միևնույն ժամանակ ուղղակիորեն կախված են կապվելուց:ԴՆԹ կարգավորող սպիտակուցներ. Վերջիններիս քանակն ու բազմազանությունը էուկարիոտներում ահռելի է։ Այսպիսով, մարդու մարմնում սպիտակուցի տրանսկրիպցիոն գործոնները կոդավորող հաջորդականությունների մասնաբաժինը կազմում է գենոմի մոտ 10%-ը։
Մինչ օրս էուկարիոտիկ TF-ները լավ չեն հասկացվում, ինչպես նաև գենետիկ անջատիչների գործարկման մեխանիզմները, որոնց կառուցվածքը շատ ավելի բարդ է, քան բակտերիաների դրական և բացասական կարգավորման մոդելները: Ի տարբերություն վերջիններիս, միջուկային բջիջների տրանսկրիպցիոն գործոնների ակտիվության վրա ազդում են ոչ թե մեկ կամ երկու, այլ տասնյակ և նույնիսկ հարյուրավոր ազդանշաններ, որոնք կարող են փոխադարձաբար ամրապնդել, թուլացնել կամ բացառել միմյանց։
Մի կողմից, որոշակի գենի ակտիվացումը պահանջում է տրանսկրիպցիոն գործոնների մի ամբողջ խումբ, բայց մյուս կողմից, մեկ կարգավորող սպիտակուցը կարող է բավարար լինել կասկադի մեխանիզմով մի քանի գեների էքսպրեսիան հրահրելու համար: Այս ամբողջ համակարգը բարդ համակարգիչ է, որը մշակում է ազդանշանները տարբեր աղբյուրներից (ինչպես արտաքին, այնպես էլ ներքին) և ավելացնում է դրանց ազդեցությունը վերջնական արդյունքին՝ գումարած կամ մինուս նշանով:
Կարգավորիչ տրանսկրիպցիոն գործոնները էուկարիոտներում (ակտիվատորներ և ռեպրեսորներ) չեն փոխազդում օպերատորի հետ, ինչպես բակտերիաներում, այլ ԴՆԹ-ի վրա ցրված վերահսկման վայրերի հետ և ազդում են միջնորդների միջոցով, որոնք կարող են լինել միջնորդ սպիտակուցներ, մեկնարկային համալիրի գործոններ: և ֆերմենտներ, որոնք փոխում են քրոմատինի կառուցվածքը։
Բացառությամբ որոշ TF-ների, որոնք ներառված են նախնական մեկնարկային համալիրում, բոլոր տրանսկրիպցիոն գործոններն ունեն ԴՆԹ կապող տիրույթ, որը տարբերակում է.դրանք բազմաթիվ այլ սպիտակուցներից, որոնք ապահովում են տրանսկրիպցիայի նորմալ անցումը կամ միջնորդ են հանդիսանում դրա կարգավորման մեջ:
Վերջին ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ էուկարիոտիկ TF-ները կարող են ազդել ոչ միայն տրանսկրիպցիայի մեկնարկի, այլև երկարացման վրա:
Տարբերություն և դասակարգում
Էուկարիոտներում գոյություն ունեն սպիտակուցների տրանսկրիպցիոն գործոնների 2 խումբ՝ բազալ (այլ կերպ կոչվում է ընդհանուր կամ հիմնական) և կարգավորիչ։ Առաջինները պատասխանատու են խթանողների ճանաչման և նախնական նախաձեռնության համալիրի ստեղծման համար: Տառադարձումը սկսելու համար անհրաժեշտ է: Այս խումբը ներառում է մի քանի տասնյակ սպիտակուցներ, որոնք միշտ առկա են բջիջում և չեն ազդում գեների դիֆերենցիալ արտահայտման վրա։
Հիմնական տրանսկրիպցիայի գործոնների համալիրը բակտերիաների մեջ սիգմա ենթամիավորի գործառույթով նման գործիք է, միայն ավելի բարդ և հարմար է բոլոր տեսակի խթանիչների համար:
Մեկ այլ տիպի գործոններ ազդում են տրանսկրիպցիայի վրա՝ կարգավորող ԴՆԹ-ի հաջորդականությունների հետ փոխազդեցության միջոցով: Քանի որ այս ֆերմենտները գեներին հատուկ են, դրանց թիվը հսկայական է: Կապվելով հատուկ գեների շրջանների հետ՝ նրանք վերահսկում են որոշ սպիտակուցների սեկրեցումը:
Էուկարիոտներում տրանսկրիպցիոն գործոնների դասակարգումը հիմնված է երեք սկզբունքների վրա.
- գործողության մեխանիզմ;
- գործառնական պայմաններ;
- կառուցվածքը։
ԴՆԹ կապող տիրույթի
Առաջին հատկանիշի համաձայն՝ առանձնանում են գործոնների 2 դաս՝ բազալ (փոխազդում է պրոմոութորի հետ) և կապող հոսանքին հակառակ շրջանների հետ (կարգավորող շրջաններ, որոնք գտնվում են գենի վերևում)։ Այս տեսակիԴասակարգումը ըստ էության համապատասխանում է TF-ի գործառական բաժանմանը ընդհանուր և հատուկ: Վերին հոսքի գործոնները բաժանվում են 2 խմբի՝ կախված լրացուցիչ ակտիվացման անհրաժեշտությունից:
Ըստ գործառության առանձնահատկությունների՝ բաղադրիչ TF-ները տարբերվում են (միշտ առկա են ցանկացած բջիջում) և ինդուկտիվ (բնորոշ չեն բոլոր բջիջների տեսակներին և կարող են պահանջել որոշակի ակտիվացման մեխանիզմներ): Երկրորդ խմբի գործոններն իրենց հերթին բաժանվում են բջիջներին հատուկ (մասնակցում են օնտոգենեզին, բնութագրվում են արտահայտման խիստ հսկողությամբ, բայց ակտիվացում չեն պահանջում) և ազդանշանային կախվածության։ Վերջիններս տարբերվում են ըստ ակտիվացնող ազդանշանի տեսակի և գործողության եղանակի։
Սպիտակուցների տրանսկրիպցիոն գործոնների կառուցվածքային դասակարգումը շատ ընդարձակ է և ներառում է 6 գերդասեր, որոնք ներառում են բազմաթիվ դասեր և ընտանիքներ:
Գործողության սկզբունք
Հիմնական գործոնների գործառույթը տարբեր ենթամիավորների կասկադային հավաք է մեկնարկային համալիրի ձևավորմամբ և տրանսկրիպցիայի ակտիվացմամբ: Փաստորեն, այս գործընթացը ակտիվացնող սպիտակուցի գործողության վերջին քայլն է:
Հատուկ գործոններ կարող են կարգավորել տառադարձումը երկու քայլով.
- նախաձեռնող համալիրի հավաքում;
- անցում դեպի արտադրողական երկարացում։
Առաջին դեպքում, հատուկ TF-ների աշխատանքը կրճատվում է մինչև քրոմատինի առաջնային վերադասավորումը, ինչպես նաև միջնորդի, պոլիմերազի և բազալ գործոնների հավաքագրումը, կողմնորոշումը և փոփոխումը պրոմոտորի վրա, ինչը հանգեցնում է ակտիվացման: արտագրման. Ազդանշանի փոխանցման հիմնական տարրը միջնորդն է՝ 24 ստորաբաժանումներից բաղկացած համալիր, որը գործում էորպես միջնորդ կարգավորող սպիտակուցի և ՌՆԹ պոլիմերազի միջև: Փոխազդեցությունների հաջորդականությունը անհատական է յուրաքանչյուր գենի և դրա համապատասխան գործոնի համար:
Երկարացման կարգավորումն իրականացվում է P-Tef-b սպիտակուցի հետ գործոնի փոխազդեցության շնորհիվ, որն օգնում է ՌՆԹ պոլիմերազին հաղթահարել պրոմոտորի հետ կապված դադարը։
TF-ի ֆունկցիոնալ կառուցվածքները
Տրանսկրիպցիոն գործոններն ունեն մոդուլային կառուցվածք և իրենց աշխատանքը կատարում են երեք ֆունկցիոնալ տիրույթների միջոցով.
- ԴՆԹ-կապող (DBD) - անհրաժեշտ է գենի կարգավորող շրջանի ճանաչման և փոխազդեցության համար:
- Տրանսակտիվացնող (TAD) – թույլ է տալիս փոխազդեցություն այլ կարգավորող սպիտակուցների հետ, ներառյալ տրանսկրիպցիոն գործոնները:
- Ազդանշանի ճանաչող (SSD) - պահանջվում է կարգավորող ազդանշանների ընկալման և փոխանցման համար:
Իր հերթին, ԴՆԹ կապող տիրույթն ունի բազմաթիվ տեսակներ: Նրա կառուցվածքում հիմնական դրդապատճառները ներառում են՝
- «ցինկի մատներ»;
- homeodomain;
- "β"-շերտեր;
- loops;
- «լեյցինային կայծակ»;
- spiral-loop-spiral;
- spiral-turn-spiral.
Այս տիրույթի շնորհիվ տրանսկրիպցիոն գործոնը «կարդում» է ԴՆԹ-ի նուկլեոտիդային հաջորդականությունը կրկնակի պարույրի մակերեսի օրինաչափության տեսքով։ Դրա շնորհիվ հնարավոր է որոշակի կարգավորող տարրերի հատուկ ճանաչում։
Մոտիվների փոխազդեցությունը ԴՆԹ-ի պարույրի հետ հիմնված է դրանց մակերևույթների միջև ճշգրիտ համապատասխանության վրա.մոլեկուլներ.
TF-ի կարգավորում և սինթեզ
Կան մի քանի եղանակներ՝ կարգավորելու տրանսկրիպցիոն գործոնների ազդեցությունը տառադարձման վրա: Դրանք ներառում են՝
- ակտիվացում - ԴՆԹ-ի հետ կապված գործոնի ֆունկցիոնալության փոփոխություն՝ ֆոսֆորիլացման, լիգանդի կցման կամ այլ կարգավորող սպիտակուցների հետ փոխազդեցության պատճառով (ներառյալ TF);
- տեղափոխում - գործոնի տեղափոխում ցիտոպլազմից միջուկ;
- կապման վայրի առկայություն - կախված է քրոմատինի խտացման աստիճանից (հետերոքրոմատինի վիճակում ԴՆԹ-ն հասանելի չէ TF-ի համար);
- մեխանիզմների համալիր, որը բնորոշ է նաև այլ սպիտակուցներին (բոլոր գործընթացների կարգավորում՝ տրանսկրիպցիայից մինչև հետթարգմանական փոփոխություն և ներբջջային տեղայնացում):
Վերջին մեթոդը որոշում է տրանսկրիպցիոն գործոնների քանակական և որակական կազմը յուրաքանչյուր բջիջում: Որոշ TF-ներ կարողանում են կարգավորել իրենց սինթեզը ըստ դասական հետադարձ կապի տեսակի, երբ սեփական արտադրանքը դառնում է ռեակցիայի արգելակող։ Այս դեպքում գործոնի որոշակի կոնցենտրացիան դադարեցնում է այն կոդավորող գենի տրանսկրիպցիան։
Ընդհանուր տառադարձման գործոններ
Այս գործոններն անհրաժեշտ են ցանկացած գենի տրանսկրիպցիան սկսելու համար և անվանացանկում նշվում են որպես TFl, TFll և TFlll՝ կախված ՌՆԹ պոլիմերազի տեսակից, որի հետ նրանք փոխազդում են: Յուրաքանչյուր գործոն բաղկացած է մի քանի ենթամիավորներից։
Հիմնական TF-ները կատարում են երեք հիմնական գործառույթ՝
- ՌՆԹ պոլիմերազի ճիշտ տեղակայումը խթանողի վրա;
- ԴՆԹ շղթաների լուծարում տրանսկրիպցիայի սկզբի շրջանում;
- պոլիմերազի ազատումպրոմոտոր երկարացմանն անցնելու պահին;
Հիմնական տրանսկրիպցիոն գործոնների որոշ ենթամիավորներ կապվում են խթանող կարգավորող տարրերին: Ամենակարևորը TATA տուփն է (բոլոր գեներին բնորոշ չէ), որը գտնվում է սկզբնավորման կետից «-35» նուկլեոտիդների հեռավորության վրա։ Այլ պարտադիր վայրերը ներառում են INR, BRE և DPE հաջորդականությունները: Որոշ TF-ներ ուղղակիորեն չեն կապվում ԴՆԹ-ի հետ:
ՌՆԹ պոլիմերազ ll-ի տրանսկրիպցիոն հիմնական գործոնների խումբը ներառում է TFllD, TFllB, TFllF, TFllE և TFllH: Նշման վերջում լատինատառը ցույց է տալիս այդ սպիտակուցների հայտնաբերման կարգը։ Այսպիսով, TFlllA գործոնը, որը պատկանում է lll RNA պոլիմերազին, առաջինն է մեկուսացվել։
| Անուն | Սպիտակուցային ենթամիավորների թիվը | Ֆունկցիա |
| TFllD | 16 (TBP +15 TAFs) | TBP-ը կապվում է TATA տուփին և TAF-ները ճանաչում են այլ խթանող հաջորդականություններ |
| TFllB | 1 | Ճանաչում է BRE տարրը, ճշգրիտ կողմնորոշում է պոլիմերազը սկզբնավորման վայրում |
| TFllF | 3 | Կայունացնում է պոլիմերազային փոխազդեցությունը TBP-ի և TFllB-ի հետ, հեշտացնում է TFllE-ի և TFllH-ի միացումը |
| TFllE | 2 | Միացնում և կարգավորում է TFllH |
| TFllH | 10 | Առանձնացնում է ԴՆԹ-ի շղթաները սկզբնավորման կետում, ազատում է ՌՆԹ սինթեզող ֆերմենտը խթանողից և տրանսկրիպցիոն հիմնական գործոններից (կենսաքիմիագործընթացը հիմնված է ՌՆԹ պոլիմերազի Cer5-C-տերմինալ տիրույթի ֆոսֆորիլացման վրա) |
Հիմնական TF-ի հավաքումը տեղի է ունենում միայն ակտիվացնողի, միջնորդի և քրոմատին փոփոխող սպիտակուցների օգնությամբ:
հատուկ TF
Գենետիկ էքսպրեսիայի վերահսկման միջոցով տրանսկրիպցիոն այս գործոնները կարգավորում են ինչպես առանձին բջիջների, այնպես էլ ամբողջ օրգանիզմի կենսասինթետիկ գործընթացները՝ սաղմնածնությունից մինչև ֆենոտիպային նուրբ հարմարվողականություն մինչև շրջակա միջավայրի փոփոխվող պայմանները: TF-ի ազդեցության ոլորտը ներառում է 3 հիմնական բլոկ՝
- զարգացում (սաղմի և օնտոգենեզ);
- բջջային ցիկլ;
- պատասխան արտաքին ազդանշաններին:
Տրանսկրիպցիոն գործոնների հատուկ խումբը կարգավորում է սաղմի մորֆոլոգիական տարբերակումը։ Այս սպիտակուցային հավաքածուն կոդավորված է հատուկ 180 bp կոնսենսուսային հաջորդականությամբ, որը կոչվում է homeobox:
Որպեսզի որոշվի, թե որ գենը պետք է արտագրվի, կարգավորող սպիտակուցը պետք է «գտնի» և կապվի ԴՆԹ-ի որոշակի տեղամասի հետ, որը հանդես է գալիս որպես գենետիկ անջատիչ (ուժեղացուցիչ, խլացուցիչ և այլն): Յուրաքանչյուր նման հաջորդականություն համապատասխանում է մեկ կամ մի քանի հարակից տրանսկրիպցիոն գործոնների, որոնք ճանաչում են ցանկալի տեղանքը պարույրի որոշակի արտաքին հատվածի և ԴՆԹ-ի կապող տիրույթի քիմիական կոնֆորմացիաների համընկնման պատճառով (բանալի-կողպման սկզբունք): Ճանաչման համար օգտագործվում է ԴՆԹ-ի առաջնային կառուցվածքի մի հատված, որը կոչվում է հիմնական ակոս:
ԴՆԹ-ի գործողության հետ կապվելուց հետոակտիվացնող սպիտակուցը առաջացնում է մի շարք հաջորդական քայլեր, որոնք տանում են դեպի նախնական նախաձեռնող համալիրի հավաքումը: Այս գործընթացի ընդհանրացված սխեման հետևյալն է.
- Ակտիվատոր, որը կապում է քրոմատինին պրոմոտորային շրջանում, ATP-ից կախված վերադասավորման համալիրների հավաքագրում:
- Քրոմատինի վերադասավորում, հիստոն-մոդիֆիկացնող սպիտակուցների ակտիվացում։
- Հիստոնների կովալենտային ձևափոխում, այլ ակտիվացնող սպիտակուցների ներգրավում:
- Լրացուցիչ ակտիվացնող սպիտակուցների կապում գենի կարգավորող շրջանին:
- Միջնորդի և ընդհանուր TF-ի ներգրավում.
- Նախաստեղծման համալիրի հավաքում պրոմոուտերի վրա:
- Ակտիվացնող այլ սպիտակուցների ազդեցությունը, նախասկիզբային համալիրի ենթամիավորների վերադասավորում։
- Սկսել տառադարձումը։
Այս իրադարձությունների հերթականությունը կարող է տարբեր լինել գենից գեն:
Ակտիվացման մեխանիզմների նման մեծ քանակին համապատասխանում է ռեպրեսիայի մեթոդների նույնքան լայն շրջանակ: Այսինքն՝ արգելակելով մեկնարկի ճանապարհին գտնվող փուլերից մեկը՝ կարգավորող սպիտակուցը կարող է նվազեցնել իր արդյունավետությունը կամ ամբողջությամբ արգելափակել այն։ Ամենից հաճախ ռեպրեսորը միանգամից մի քանի մեխանիզմ է ակտիվացնում՝ երաշխավորելով արտագրման բացակայությունը։
Գենների համակարգված վերահսկում
Չնայած այն փաստին, որ յուրաքանչյուր տրանսկրիպտոն ունի իր կարգավորիչ համակարգը, էուկարիոտներն ունեն մեխանիզմ, որը թույլ է տալիս, ինչպես բակտերիաները, սկսել կամ դադարեցնել գեների խմբերը, որոնք ուղղված են որոշակի առաջադրանք կատարելուն: Սա ձեռք է բերվում տառադարձման որոշիչ գործոնով, որն ավարտում է համակցություններըայլ կարգավորող տարրեր, որոնք անհրաժեշտ են գենի առավելագույն ակտիվացման կամ ճնշելու համար:
Տրանսկրիպտոններում, որոնք ենթակա են նման կարգավորման, տարբեր բաղադրիչների փոխազդեցությունը հանգեցնում է նույն սպիտակուցի, որը հանդես է գալիս որպես ստացված վեկտոր: Հետեւաբար, նման գործոնի ակտիվացումն ազդում է միանգամից մի քանի գեների վրա։ Համակարգն աշխատում է կասկադի սկզբունքով։
Կորդինացված հսկողության սխեման կարելի է դիտարկել կմախքի մկանային բջիջների օնտոգենետիկ տարբերակման օրինակով, որոնց պրեկուրսորները միոբլաստներն են։
Հասուն մկանային բջիջին բնորոշ սպիտակուցների սինթեզը կոդավորող գեների տրանսկրիպցիան հրահրվում է չորս միոգեն գործոններից որևէ մեկով՝ MyoD, Myf5, MyoG և Mrf4: Այս սպիտակուցները ակտիվացնում են իրենց և միմյանց սինթեզը, ինչպես նաև ներառում են տրանսկրիպցիոն լրացուցիչ Mef2 գործոնի և կառուցվածքային մկանային սպիտակուցների գեները: Mef2-ը մասնակցում է միոբլաստների հետագա տարբերակման կարգավորմանը՝ միաժամանակ պահպանելով միոգեն սպիտակուցների կոնցենտրացիան դրական հետադարձ մեխանիզմով:
