ГЕНЕТИКА - Підручник - А.В. Сиволоб - 2008

РОЗДІЛ 2. Експресія генів

РЕГУЛЯЦІЯ ГЕННОЇ ЕКСПРЕСІЇ В ЕУКАРІОТІВ

Регуляція транскрипції

Кілька десятків тисяч еукаріотичних генів потребують диференційної активації / репресії в певні моменти залежно від типу клітин, стадії розвитку, зовнішніх умов тощо.

Транскрипційні фактори. Як і в прокаріотів, ключовими елементами системи регуляції транскрипції є регуляторні цис-елементи послідовності (проксимальні та дистальні елементи промоторів, див. рис. 2.11) і транс-регулятори - білкові транскрипційні фактори (ТФ, під якими будемо розуміти специфічні, не базальні, фактори транскрипції). Проте кількість еукаріотичних генів значно більша, і зрозуміло, що кожен ген не може контролюватися своїм особливим фактором транскрипції: фактор також є продуктом певного гена, який також має контролюватися певним фактором.

Відповіддю на необхідність регулювати окремо активність великої кількості генів лімітованим набором факторів транскрипції є принцип модульності будови еукаріотичних промоторів. Його ілюструє рис. 2.15: три регуляторні (наприклад, проксимальні) елементи послідовності мають спорідненість до трьох транскрипційних факторів, із трьох пар такої взаємодії можна скласти шість комбінацій. Насправді ж кількість таких пар є значно більшою, а число можливих комбінацій - практично нескінченно великим. Кожен промотор може мати свій власний набір модулів, який відрізняє його від інших промоторів, і, відповідно, власний набір досить великої кількості транскрипційних факторів, потрібних для активації гена.

Рис. 2.15. Модульний принцип взаємодії транскрипційних факторів із промоторами

З принципом модульності тісно пов'язаний принцип кооперативності взаємодії транскрипційних факторів із цис-елементами, що знаходяться поряд. Кожен із ТФ зазвичай має порівняно невисоку спорідненість до відповідного елемента послідовності. Але якщо два цис-елементи розташовані поруч і два ТФ здатні взаємодіяти між собою, спорідненість кожного з них підвищується - стабільність комплексу значно зростає.

Крім того, активаційні домени ТФ зв'язують білкові кофактори (коактиватори), що зумовлює збирання енхансосоми та преініціаторного комплексу (див. рис. 2.12). Різні елементи енхансосоми діють синергічно, підвищуючи загальну стабільність комплексу. З іншого боку, відсутність кількох елементів може викликати дестабілізацію та розпад енхансосоми, де спорідненість до ДНК кожного окремого елементу невисока. Це забезпечує динамізм активації: енхансосома не є фіксованою, а збирається / розбирається в певні моменти. Слід зауважити, що компоненти мультибілкових комплексів, які збираються на промоторах, можуть, навпаки, блокувати ініціацію транскрипції - тоді їх називають репресорами та корепресорами.

Активність певного гена залежить від наявності у клітині певного набору активаторів / репресорів транскрипції. Відповідно, гени самих факторів транскрипції перебувають під контролем складних систем регуляції, які працюють під час розвитку та диференціації клітин. У результаті в клітині певного типу відбувається синтез специфічного набору ТФ, що приводить до активації специфічного набору генів.

У той же час, експресія певного гена може оперативно контролюватися у відповідь на зовнішні сигнали шляхом зміни активності вже синтезованих транскрипційних факторів. Два найважливіші механізми такої регуляції: взаємодія ТФ певного типу - гормонового рецептора - зі стероїдними гормонами та каскади пострансляційних модифікацій у відповідь на дію хімічних сигналів (сигнальна трансдукція). Гормоновий рецептор у відсутності гормону перебуває в цитоплазмі в неактивному структурному стані. Коли гормон проникає в цитоплазму, він взаємодіє з рецептором, що зумовлює його активацію: гормоновий рецептор прямує до ядра, де зв'язується зі специфічним елементом послідовності та запускає каскад збирання енхансосоми. Прикладом сигнальної трансдукції є зв'язування білкового гормону з рецептором на зовнішньому боці клітинної мембрани, яке активує примембранну кіназу з іншого боку мембрани. Кіназа здійснює фосфорилювання неактивного транскрипційного фактора, що й переводить його в активну форму. Часто примембранна кіназа запускає каскад фосфорилювання - фосфорилює білок, який набуває внаслідок цього кіназної активності, ця нова кіназа фосфорилює інший білок (або кілька різних білків, завдяки чому здійснюється підсилення сигналу та / або його розгалуження по кількох шляхах, спрямованих до кількох кінцевих мішеней), перетворюючи його на кіназу, і так далі - до фосфорилювання та, відповідно, активації транскрипційного фактора.

Регуляція транскрипції та структура хроматину. Суттєвою особливістю еукаріотів є та обставина, що ДНК клітинного ядра організована у складні хроматинові структури (розділ 1). Нуклеосоми та хроматинова фібрила в цілому виступають як загальний репресор генної активності. Тим самим вони допомагають забезпечити загальну інактивацію більшості генів в еукаріотичній клітині, за винятком тих, чия активація здійснюється за участю ТФ. Активація транскрипції потребує перебудов структури хроматину в напрямку деконденсації хроматинової фібрили та визволення цис-елементів від нуклеосом. Для реалізації таких перебудов є два основні інструменти, які діють у тісній координації один з одним: система посттрансляційних модифікацій гістонів і АТР-залежні комплекси ремоделювання хроматину, що проводять репозиціювання нуклеосом. Специфічна картина (патерн) гістонових модифікацій відіграє також і зворотну роль - у здійсненні гарантованої репресії певних ділянок хроматину.

Серед інших модифікацій, ацетилювання залишків Lys (у певних консервативних позиціях) майже завжди корелює з активацією транскрипції - ацетильовані гістон-ацетилтрансферазами (НАТ) гістони акумулюються в активних промоторах, і навпаки, дія гістон-деацетилаз

приводить до інактивації. Ацетилтрансферази та деацетилази постійно безадресно працюють у хроматині, підтримуючи певний базовий баланс ацетилювання / деацетилювання гістонів. При активації певного промотора ацетилтрансферази здійснюють адресне гіперацетилюван- ня, а після зникнення активуючого сигналу деацетилази повертають промотор до базового неактивного стану. Деацетилази також можуть бути адресно рекрутовані до промоторів репресорами транскрипції для підтримання гарантованого деацетильованого статусу.

НАТ входять до складу мультибілкових комплексів, які часто є компонентами енхансосом. Часто у складі НАТ присутні бромодомени - структурні модулі, що мають специфічну спорідненість до ацетильова- них лізинів. Тобто НАТ упізнають Lys, уже ацетильовані іншими НАТ, і здійснюють ацетилювання сусідніх нуклеосом, підтримуючи таким чином ацетильований статус певної ділянки хроматину. Ацетилювання гістонів сприяє деконденсації хроматинової фібрили за рахунок зниження позитивного заряду головних факторів конденсації, якими є гістонові хвости. Розгортання фібрили та тимчасова дисоціація гісто- на Н1 створює "вікно можливості» для зв'язування регуляторних факторів із міжнуклеосомною лінкерною ДНК. Крім того, ацетильовані лі- зинові залишки гістонів можуть безпосередньо впізнаватися факторами і кофакторами транскрипції. Наприклад, наявність бромодомену у складі TFIID сприяє підвищенню локальної концентрації цього базального фактора транскрипції в ацетильованих ділянках хроматину.

Підвищення доступності промоторів під час їхньої активації потребує також інших спеціальних механізмів. Справа в тому, що за фізіологічної іонної сили електростатичні взаємодії ДНК і гістонів дуже міцні й нуклеосома зберігає високу стабільність, яка практично виключає навіть переміщення нуклеосоми вздовж ДНК. Оскільки переміщення нуклеосом є необхідним для експонування регуляторних сайтів на ДНК до дії транскрипційних факторів, у клітині існує спеціальна система: комплекси ремоделювання хроматину (КР), які часто є компонентами енхансосом. КР є АТР-залежними мультибілковими молекулярними машинами, які забезпечують переміщення нуклеосом уздовж хроматинової фібрили (репозиціювання) і сприяють тимчасовому видаленню нуклеосом із активних промоторів на білки, що є проміжними переносниками гістонів. КР здатні здійснювати численні взаємодії з нуклеосомною ДНК, гістоновими хвостами, специфічними та загальними факторами транскрипції, гістон-ацетилтрансферазами тощо. Слід зауважити, що дія комплексів ремоделювання приводить не обов'язково до активації транскрипції, а також і до репресії - залежно від контексту інших функціонально важливих впливів, у кооперації з якими працює даний комплекс.

Один із численних варіантів сценаріїв активації промотора зображено на рис. 2.16: одна з нуклеосом закриває базальний промотор; у лінкері між нуклеосомами ініціюється збирання енхансосоми, до складу якої залучається НАТ; НАТ здійснює ацетилювання гістонів; до енхансосоми рекрутується інша НАТ і комплекс ремоделювання, який переміщує нуклеосому; із базальним промотором зв'язується РНК-полімераза та базальні фактори транскрипції.

Рис. 2.16. Один із варіантів послідовності етапів активації еукаріотичного промотора. НАТ - гістон-ацетилтрансфераза,

Ас - ацетатні залишки

На стадії елонгації транскрипції нуклеосома також має створювати суттєві перешкоди для проходження РНК-полімерази. При цьому хроматин, навіть у межах активних генів, у цілому зберігає нуклеосомну структуру. Елонгація РНК-полімерази через хроматин полегшується цілим набором факторів елонгації, які, зокрема, забезпечують руйнуванням нуклеосом попереду полімерази та їхнім відновленням позаду.

Хоча базова структура інтерфазного хроматину - фібрила діаметром 30 нм - є перешкодою для активації транскрипції, гарантована репресія потребує підвищення ступеня компактизації хроматину. Така додаткова компактизація в гетерохроматині та інших репресованих ділянках залежить від спеціальних хімічних маркерів. Найважливішими з них є знову ж таки посттрансляційні модифікації гістонів (у першу чергу метилювання специфічних залишків Lys) і метилювання ДНК. Механізми такої репресії розглядаються в розділі 6.