Transkriptsioonifaktorid — definitsioon, toimimine ja roll geeniregulatsioonis

Transkriptsioonifaktorid — kuidas järjestusspetsiifilised valgud seonduvad DNA-ga, reguleerivad geeniekspressiooni ning mõjutavad RNA‑polümeraasi ja geenide aktiveerimist.

Transkriptsioonifaktorid aitavad reguleerida geene. Iga transkriptsioonifaktor seondub konkreetse DNA järjestusega. Nii kontrollivad nad geneetilise teabe transkriptsiooni kiirust DNA-st sõnumitooja RNA-ks.

Transkriptsioonifaktorit nimetatakse mõnikord "järjestusspetsiifiliseks DNA-sidumisfaktoriks". Üksinda või koos teiste valkudega soodustavad või blokeerivad nad RNA-polümeraasi. RNA-polümeraas on ensüüm, mis kopeerib geneetilist teavet DNAst RNAsse konkreetsete geenide jaoks.

Transkriptsioonifaktoritel on üks või mitu DNA-sidumisdomeeni (DBD). Need seonduvad nende poolt reguleeritavate geenide kõrval asuvate DNA-järjestuste külge. Geenide reguleerimisel mängivad otsustavat rolli ka teised valgud (näiteks koaktivaatorid, kromatiini ümberkujundajad, histoonatsetülaasid või -deatsetülaasid, kinaasid ja metülaasid). Kuna neil puuduvad DNA-domeenid, ei nimetata neid transkriptsioonifaktoriteks.

Sõnastik:

Kuidas transkriptsioonifaktorid töötavad

Transkriptsioonifaktorid mõjutavad geeni väljendust mitmel tasandil:

• DNA-ga sidumine: TF-id tunnevad ära ja seonduvad kindlate cis-aktiivsete elementidega DNA-s (nt promotorid ja enhancers), mis paiknevad geeni juures või kaugel sellest.
• RNA-polümeraasi rekruitimine või pärssimine: sõltuvalt faktorist aitavad nad RNA-polümeraasi kinnitumist ja algatavad transkriptsiooni või takistavad selle tööle asumist.
• Kromatiini muutmine: TF-id toovad kohale koaktiveerijaid, histoonmõõtjaid ja kromatiini-remodelleerivaid komplekse (nt SWI/SNF), muutes kromatiini lahtisemaks või kinnitumist takistavaks, mis mõjutab DNA kättesaadavust.
• Koostöö ja kombinatoorne kontroll: sageli töötavad mitu TF-i koos, et kombineerida signaale erinevatest signaali- või keskkonnamuutustest — see võimaldab täpset ja kontekstispetsiifilist geeniregulatsiooni.

Struktuurid ja domeenid

Enamik transkriptsioonifaktoreid koosneb mitmest funktsionaalsest domeenist:

• DNA-sidumisdomeen (DBD): tuntud tüübid hõlmavad helix-turn-helix, zinc finger, leutsiin-tõrvik (leucine zipper) ja helix-loop-helix domeene. Need määravad järjestuse-spetsiifilisuse.
• Aktiveerimis- või repressioonidomeen: interakteeruvad koactivatorite või corepressoritega ning mõjutavad transkriptsiooni aktiivsust.
• Oligomerisatsioonidomeenid: võimaldavad TF-ide homodimeerumist või heterodimeerumist, mis mõjutab sidumispotentsiaali ja sihtimistäpsust.

Signaalide ümberkäigus ja aktivatsioon

TF-e reguleeritakse läbi mitmesuguste mehhanismide:

• Postr-translatsioonilised modifikatsioonid: fosforüülimine, atsüleerimine, metüülimine või ubiqutineerimine võivad muuta TF-i aktiivsust, stabiilsust või tuuma suunamist.
• Ligandi seondumine: nt steroidhormoonide retseptorid muutuvad hormooni seondumisel aktiveerituks ja liiguvad tuuma DNA-ga seonduma.
• Nukleaarne translokatsioon: mõned TF-id on tsütoplasmas inaktiivsed kuni signaal kutsub esile nende sissetungi tuuma.
• Proteolüütiline lõikamine: teatud juhtudel aktiveeritakse TF proteolüüsi teel (nt Notch signaalimises).

Roll arengu, rakkude funktsiooni ja haiguste kontekstis

Transkriptsioonifaktorid on kesksed:

• rakkude identiteedi ja erinemise juhtimisel (nt Hox-geenid, faktorid, mis määravad keha telje ja organite arengut),
• sest nad võtavad vastu keskkonna- ja signaalimolekulide signaale, mis reguleerivad ainevahetust, immuunvastust ja stressiresponsiivi,
• haigustes: muutused TF-ide ekspressioonis või funktsioonis võivad põhjustada vähki (nt p53, MYC), arenguhäireid või ainevahetushaigusi.

Tüüpilised näited

• p53: kasvajate supressorfaktor, mis lõikub DNA-kahjustuse korral sisse ja käivitab DNA paranduse, rakkude tsüklipiduri või apoptoosi.
• NF-κB: oluline põletikulise vastuse ja immuunsüsteemi reguleerimisel.
• Steroidhormoonide retseptorid (nt östrogeenireseptor): aktiveeruvad hormoonide kaudu ja reguleerivad paljusid sihtgeene.
• HIF-1: reageerib hapnikupuudusele ja reguleerib angiogeneesi ning ainevahetust.

Meetodid transkriptsioonifaktorite uurimiseks

Levinumad tehnikad hõlmavad:

• ChIP-seq: tuvastab TF-i DNA-seondumiskohad kogu genoomis.
• EMSA (elektroforeetiline mobiilsuse muutuse test): hinnatakse TF-i ja DNA vahelist sidumist in vitro.
• Reporter-geenide katsed: mõõdavad konkreetse regulaatori mõju geeniekspressioonile.
• ATAC-seq ja DNase-seq: annavad infot kromatiini avatuse kohta, mis korreleerub TF-ide ligipääsetavusega.

Olulised põhimõtted kokkuvõtvalt

Transkriptsioonifaktorid toimivad geeniregulatsiooni võtmeteguritena, integreerides rakkude siseseid ja väliseid signaale, sidudes spetsiifilistesse DNA-järjestustesse ning rekruutides või blokeerides masinavärki, mis toodab RNA. Nende tegevus sõltub tihti teiste valkude koostööst ja kromatiini seisundist, mis võimaldab keerukat ja kohanduvat geeniregulatsiooni.

Sõnastik

• DNA-sidumisdomeen (DBD): valgu osa, mis tunneb ära ja seondub spetsiifilise DNA-järjestusega.
• Aktiveerimisdomeen: valgu osa, mis interakteerub transkriptsioonimasinaga või koaktivaatorega, et soodustada geeniekspressiooni.
• Koaktivaatör / ko-repressör: valgud, mis ei pruugi DNA-ga otse seonduda, kuid mõjutavad TF-ide kaudu transkriptsiooni (nt Mediator).
• Promotor: geeni lähedal asuv DNA-osa, kuhu RNA-polümeraas ja TF-id kinnituvad, et alustada transkriptsiooni.
• Enhancer: kaugel asuv cis-element, mis suurendab geeni transkriptsiooni läbi DNA-lõnga moodustamise ja TF-ide vahenduse.
• Kromatiin: DNA ja sellega seotud valgud (nt histoonid), mille struktuur mõjutab geenide ligipääsetavust.
• Postr-translatsiooniline modifikatsioon: keemiline muutus valkus (nt fosforüülimine), mis reguleerib selle aktiivsust või paiknemist rakus.
• Cis-aktiivne element: DNA-järjestus, mis reguleerib sama molekuli peal paiknevat geeni (nt promotor, enhancer).
• Trans-aktiivne faktor: valk või molekul, mis liigub raku sees ja reguleerib geene, sageli sidudes cis-elemente.

Küsimused ja vastused

K: Mis on transkriptsioonifaktorid?

K: Kuidas kontrollivad transkriptsioonifaktorid geeniekspressiooni?

K: Mis on RNA-polümeraas?

K: Mis on DNA sidumisdomeenid (DBD)?

K: Mis on koaktivaatorid, kromatiini ümberkujundajad, histoonatsetülaasid või -deatsetülaasid, kinaasid ja metülaasid?

K: Miks ei nimetata koaktivaatoreid, kromatiini remodelleerijaid, histoonatsetülaase või -deatsetülaase, kinaase ja metülaase transkriptsioonifaktoriteks?

K: Mis on järjestusspetsiifiline DNA-sidumisfaktor?

Otsing