В молекулярной биологии ТАТА -бокс (также называемый ящиком Гольдберга-Хогнесса ) [ 1] представляет собой последовательность ДНК , обнаруженную в основной промоторной области генов архей и эукариот . [2] Бактериальный гомолог ТАТА - бокса называется коробкой Прибнова и имеет более короткую консенсусную последовательность .
ТАТА-бокс считается некодирующей последовательностью ДНК (также известной как цис-регуляторный элемент ). Его назвали «ТАТА-боксом», поскольку он содержит консенсусную последовательность, характеризующуюся повторяющимися парами оснований Т и А. [3] Неясно, как возник термин «коробка». В 1980-х годах при исследовании нуклеотидных последовательностей в локусах генома мыши была обнаружена последовательность бокса Хогнесса и «заключена» в положение -31. [4] При сравнении консенсусных и альтернативных нуклеотидов гомологичные области были «запакованы» исследователями. [4] Распределение последовательностей проливает свет на происхождение термина «коробка».
ТАТА-бокс был впервые идентифицирован в 1978 году [1] как компонент эукариотических промоторов. Транскрипция инициируется в ТАТА-боксе ТАТА-содержащих генов. ТАТА-бокс — это место связывания ТАТА-связывающего белка (TBP) и других факторов транскрипции в некоторых эукариотических генах. Транскрипция гена с помощью РНК-полимеразы II зависит от регуляции основного промотора с помощью регуляторных элементов дальнего действия, таких как энхансеры и сайленсеры. [5] Без должной регуляции транскрипции эукариотические организмы не смогли бы должным образом реагировать на окружающую среду.
В зависимости от последовательности и механизма инициации ТАТА-бокса такие мутации , как инсерции , делеции и точковые мутации этой консенсусной последовательности, могут приводить к фенотипическим изменениям. Эти фенотипические изменения могут затем превратиться в фенотип заболевания . Некоторые заболевания, связанные с мутациями в ТАТА-боксе, включают рак желудка , спиноцеребеллярную атаксию , болезнь Хантингтона , слепоту , β-талассемию , иммуносупрессию , синдром Гилберта и ВИЧ-1 . ТАТА-связывающий белок (TBP) также может быть атакован вирусами как средство вирусной транскрипции. [6]
ТАТА-бокс был первым мотивом корового промотора эукариот, который был идентифицирован в 1978 году американским биохимиком Дэвидом Хогнессом [1], когда он и его аспирант Майкл Голдберг находились в творческом отпуске в Базельском университете в Швейцарии. [7] Они впервые обнаружили последовательность ТАТА при анализе последовательностей 5'- промоторов ДНК в генах дрозофилы , млекопитающих и вирусов . [8] [2] ТАТА-бокс был обнаружен в генах, кодирующих белок , транскрибируемых РНК-полимеразой II . [2]
Большинство исследований ТАТА-бокса проводилось на геномах дрожжей, человека и дрозофилы , однако сходные элементы были обнаружены у архей и древних эукариот . [2] У видов архей промотор содержит АТ-богатую последовательность длиной 8 п.о., расположенную примерно на 24 п.н. выше сайта начала транскрипции. Эта последовательность первоначально называлась Box A, и теперь известно, что это последовательность, которая взаимодействует с гомологом архейного ТАТА-связывающего белка (TBP). Кроме того, хотя некоторые исследования выявили некоторые сходства, есть и другие, которые выявили заметные различия между архейным и эукариотическим TBP. Белок архей демонстрирует большую симметрию в своей первичной последовательности и в распределении электростатического заряда, что важно, поскольку более высокая симметрия снижает способность белка связывать ТАТА-бокс полярным образом. [2]
Хотя ТАТА-бокс присутствует во многих промоторах эукариот, в большинстве промоторов он отсутствует. Одно исследование показало, что менее 30% из 1031 потенциальной области промотора содержат предполагаемый мотив TATA-бокса у людей. [9] У дрозофилы менее 40% из 205 основных промоторов содержат ТАТА-бокс. [8] Когда ТАТА-бокс отсутствует и TBP отсутствует, нижний промоторный элемент (DPE) во взаимодействии с инициирующим элементом (Inr) связывается с транскрипционным фактором II D ( TFIID ), инициируя транскрипцию в ТАТА- меньше промоутеров. DPE был идентифицирован в трех промоторах без ТАТА дрозофилы и в промоторе IRF-1 человека без ТАТА . [10]
Последовательности промотора различаются у бактерий и эукариот . У эукариот ТАТА-бокс расположен на 25 пар оснований выше стартового сайта, который Rpb4 /Rbp7 использует для инициации транскрипции . У многоклеточных животных ТАТА-бокс расположен на 30 пар оснований выше места начала транскрипции. [5] В дрожжах S. cerevisiae ТАТА-бокс имеет вариабельное положение, которое может находиться в диапазоне от 40 до 100 п.н. выше стартового сайта. ТАТА-бокс также обнаружен в 40% основных промоторов генов, которые кодируют актиновый цитоскелет и сократительный аппарат в клетках. [5]
Тип корового промотора влияет на уровень транскрипции и экспрессии гена . ТАТА-связывающий белок (TBP) может быть рекрутирован двумя способами: с помощью SAGA, кофактора РНК-полимеразы II , или с помощью TFIID . [11] Когда промоторы используют бокс-комплекс SAGA/TATA для рекрутирования РНК-полимеразы II, они более строго регулируются и демонстрируют более высокие уровни экспрессии, чем промоторы, использующие режим рекрутирования TFIID/TBP. [11]
У бактерий промоторные области могут содержать ящик Прибнова , который служит аналогичной цели эукариотического ТАТА-бокса. Коробка Прибнова имеет область длиной 6 п.н., сосредоточенную вокруг положения -10, и последовательность длиной 8-12 п.н. вокруг области -35, которые оба консервативны. [10]
СААТ -бокс (также CAT-бокс) представляет собой область нуклеотидов со следующей консенсусной последовательностью: 5' GGCCAATCT 3'. СААТ-бокс расположен примерно на 75-80 оснований выше сайта инициации транскрипции и примерно на 150 оснований выше ТАТА-бокса. Он связывает факторы транскрипции (CAAT TF или CTF) и тем самым стабилизирует близлежащий преинициативный комплекс для облегчения связывания РНК-полимераз . СААТ-боксы редко встречаются в генах, которые экспрессируют белки, повсеместно встречающиеся во всех типах клеток. [10]
ТАТА-бокс является компонентом корового промотора эукариот и обычно содержит консенсусную последовательность 5'-ТАТА(А/Т)А(А/Т)-3'. [3] Например, одно исследование показало, что у дрожжей различные геномы Saccharomyces имеют консенсусную последовательность 5'-TATA(A/T)A(A/T)(A/G)-3', но только около 20% гены дрожжей даже содержали последовательность ТАТА. [12] Аналогично, у людей только 24% генов имеют промоторные области, содержащие ТАТА-бокс. [13] Гены, содержащие ТАТА-бокс, как правило, участвуют в реакциях на стресс и определенных типах метаболизма и более строго регулируются по сравнению с генами, не содержащими ТАТА. [12] [14] Как правило, ТАТА-содержащие гены не участвуют в основных клеточных функциях, таких как рост клеток , репликация ДНК , транскрипция и трансляция , из-за их высокорегулируемой природы. [14]
ТАТА-бокс обычно расположен на 25–35 пар оснований выше места начала транскрипции. Гены, содержащие ТАТА-бокс, обычно требуют дополнительных элементов промотора, включая сайт инициатора , расположенный непосредственно перед сайтом начала транскрипции, и нижестоящий коровый элемент (DCE). [3] Эти дополнительные промоторные области работают вместе с ТАТА-боксом, регулируя инициацию транскрипции у эукариот.
ТАТА-бокс — это место образования преинициаторного комплекса , который является первым шагом в инициации транскрипции у эукариот. Формирование преинициативного комплекса начинается, когда мультисубъединичный транскрипционный фактор II D ( TFIID ) связывается с ТАТА-боксом в его субъединице ТАТА-связывающего белка (TBP) . [3] ТБФ связывается с малой бороздкой [15] ТАТА-бокса через участок антипараллельных β-листов в белке. [16] Три типа молекулярных взаимодействий способствуют связыванию ТБФ с ТАТА-боксом:
Кроме того, связыванию ТБФ способствует стабилизация взаимодействий с ДНК, фланкирующей ТАТА-бокс, который состоит из последовательностей, богатых GC. [19] Эти вторичные взаимодействия вызывают изгиб ДНК и раскручивание спирали. [20] Степень изгиба ДНК зависит от вида и последовательности. Например, в одном исследовании использовалась последовательность промотора ТАТА аденовируса (5'-CGC TATAAAAG GGC-3') в качестве модельной связывающей последовательности и было обнаружено, что связывание человеческого ТБФ с ТАТА-боксом вызывает изгиб на 97° в сторону большой бороздки , в то время как дрожжевой ТБФ белок вызывал изгиб только на 82°. [21] Рентгеновские кристаллографические исследования комплексов ТБФ/ТАТА-бокс в целом сходятся во мнении, что ДНК претерпевает изгиб примерно на 80° в процессе связывания ТБФ. [16] [17] [18]
Конформационные изменения, вызванные связыванием ТБФ с ТАТА-боксом, позволяют дополнительным факторам транскрипции и РНК-полимеразе II связываться с областью промотора . TFIID сначала связывается с блоком TATA, чему способствует связывание TFIIA с восходящей частью комплекса TFIID . [22] [23] TFIIB затем связывается с комплексом TFIID- TFIIA -ДНК посредством взаимодействий как выше, так и ниже ТАТА-бокса. [24] РНК-полимераза II затем рекрутируется в этот мультибелковый комплекс с помощью TFIIF . [24] Затем связываются дополнительные факторы транскрипции: сначала TFIIE , а затем TFIIH . [24] На этом завершается сборка преинициаторного комплекса эукариотической транскрипции. [3] Как правило, ТАТА-бокс находится в областях промотора РНК-полимеразы II, хотя некоторые исследования in vitro показали, что РНК-полимераза III может распознавать последовательности ТАТА. [25]
Этот кластер РНК-полимеразы II и различных факторов транскрипции известен как базальный транскрипционный комплекс (БТК). В этом состоянии он дает лишь низкий уровень транскрипции. Другие факторы должны стимулировать BTC к повышению уровня транскрипции. [2] Одним из таких примеров BTC-стимулирующей области ДНК является СААТ-бокс . Дополнительные факторы, в том числе комплекс Mediator , белки, регулирующие транскрипцию, и ферменты , модифицирующие нуклеосомы, также усиливают транскрипцию in vivo . [3]
В определенных типах клеток или на определенных промоторах TBP может быть заменен одним из нескольких TBP-связанных факторов (TRF1 у дрозофилы , TBPL1/TRF2 у многоклеточных животных , TBPL2/TRF3 у позвоночных ), некоторые из которых взаимодействуют с ТАТА-боксом аналогично TBP . [ 26 ] Взаимодействие ТАТА - боксов с различными активаторами или репрессорами может влиять на транскрипцию генов разными способами . Энхансеры представляют собой регуляторные элементы дальнего действия, которые повышают активность промотора, тогда как сайленсеры подавляют активность промотора.
Мутации в ТАТА-боксе могут варьироваться от делеции или вставки до точечной мутации с различными эффектами в зависимости от мутировавшего гена. Мутации изменяют связывание ТАТА- связывающего белка (TBP) для инициации транскрипции . Таким образом, происходит изменение фенотипа, основанное на неэкспрессируемом гене (рис. 3).
В одном из первых исследований мутаций TATA-бокса изучалась последовательность ДНК Agrobacterium tumefaciens , содержащая ген цитокинина октопинового типа . [27] Этот конкретный ген имеет три ТАТА-бокса. Изменение фенотипа наблюдалось только тогда, когда были удалены все три блока ТАТА . Вставка дополнительных пар оснований между последним ТАТА - боксом и сайтом начала транскрипции привела к сдвигу сайта начала; таким образом, что приводит к фенотипическому изменению. Из этого оригинального исследования мутаций можно увидеть изменение транскрипции, когда нет ТАТА-бокса, способствующего транскрипции, но транскрипция гена будет происходить при вставке в последовательность. Вставка может повлиять на природу результирующего фенотипа .
Мутации в промоторах кукурузы влияют на экспрессию генов промотора специфичным для органов растения образом. [29] Дублирование ТАТА-бокса приводит к значительному снижению ферментативной активности в щитке и корнях , оставляя уровень ферментов пыльцы неизменным. Удаление ТАТА-бокса приводит к небольшому снижению ферментативной активности в щитке и корнях , но к значительному снижению уровня ферментов в пыльце . [29]
Точечные мутации в ТАТА-боксе имеют схожие фенотипические изменения в зависимости от затронутого гена. Исследования также показывают, что размещение мутации в последовательности ТАТА-бокса препятствует связыванию ТБФ . [28] Например, мутация с TATAAAA на CATAAAA полностью препятствует связыванию в достаточной степени, чтобы изменить транскрипцию ; соседние последовательности могут повлиять на наличие изменения или его отсутствие. [30] Однако в клетках HeLa можно увидеть изменение с TATAAAA на TATACAA, которое приводит к 20-кратному снижению транскрипции . [31] Некоторыми заболеваниями, которые могут быть вызваны этой недостаточностью в результате специфической транскрипции генов , являются: талассемия , [32] рак легких , [33] хроническая гемолитическая анемия , [34] иммуносупрессия , [35] гемофилия B Лейдена , [36] и тромбофлебит и инфаркт миокарда . [37]
Савинкова и др. написал моделирование для прогнозирования значения K D для выбранной последовательности блока TATA и TBP . [38] Это можно использовать для прямого прогнозирования фенотипических признаков, возникающих в результате выбранной мутации, на основе того, насколько тесно ТБФ связывается с ТАТА-боксом.
Мутации в области ТАТА-бокса влияют на связывание ТАТА-связывающего белка (TBP) для инициации транскрипции, что может привести к появлению у носителей фенотипа заболевания .
Рак желудка коррелирует с полиморфизмом ТАТА-бокса . [39] ТАТА-бокс имеет сайт связывания транскрипционного фактора гена PG2. Этот ген производит сыворотку PG2, которая используется в качестве биомаркера опухолей при раке желудка. Более длинные последовательности TATA-бокса коррелируют с более высокими уровнями сыворотки PG2, что указывает на рак желудка. Носители с более короткими последовательностями ТАТА-бокса могут производить более низкие уровни сыворотки PG2.
Некоторые нейродегенеративные расстройства связаны с мутациями TATA-бокса. [40] Были выделены два расстройства: спиноцеребеллярная атаксия и болезнь Хантингтона . При спиноцеребеллярной атаксии фенотип заболевания обусловлен экспансией полиглутаминового повтора в ТАТА-связывающем белке (TBP) . Будет происходить накопление этих клеток полиглутамин-ТБФ, как показывают белковые агрегаты в секциях мозга пациентов, что приводит к потере нейрональных клеток .
Слепота может быть вызвана чрезмерным образованием катаракты , когда на ТАТА-бокс воздействуют микроРНК , повышающие уровень генов окислительного стресса. [41] МикроРНК могут нацеливаться на 3'-нетранслируемую область и связываться с ТАТА-боксом, чтобы активировать транскрипцию генов, связанных с окислительным стрессом.
SNP в ТАТА-боксах связаны с B-талассемией , иммуносупрессией и другими неврологическими расстройствами . [42] SNP дестабилизируют комплекс TBP/TATA, что значительно снижает скорость, с которой ТАТА-связывающие белки (TBP) будут связываться с ТАТА-боксом. Это приводит к снижению уровня транскрипции, что влияет на тяжесть заболевания. Результаты исследований пока показали взаимодействие in vitro, но результаты могут быть сопоставимы с результатами in vivo.
Синдром Жильбера коррелирует с полиморфизмом ТАТА-бокса UTG1A1 . [43] Это создает риск развития желтухи у новорожденных.
МикроРНК также играют роль в репликации вирусов, таких как ВИЧ-1 . [44] Было обнаружено, что новая микроРНК, кодируемая ВИЧ-1, усиливает выработку вируса, а также активирует латентный период ВИЧ-1, нацеливаясь на область ТАТА-бокса.
Многие исследования до сих пор проводились in vitro , обеспечивая лишь прогнозирование того, что может произойти, а не представление в реальном времени того, что происходит в клетках . Недавние исследования в 2016 году были проведены для демонстрации ТАТА-связывающей активности in vivo . Специфические для основного промотора механизмы инициации транскрипции с помощью канонического TBP/TFIID-зависимого механизма базальной транскрипции недавно были документированы in vivo, демонстрируя активацию SRF -зависимой восходящей активирующей последовательностью (UAS) человеческого гена ACTB , участвующей в TATA-связывании. [5]
Фармацевтические компании на протяжении многих лет разрабатывают лекарства для лечения рака , воздействующие на ДНК традиционными методами, и доказали свою эффективность. [45] Однако токсичность этих препаратов подтолкнула ученых к изучению других процессов, связанных с ДНК, на которые можно было бы воздействовать вместо этого. В последние годы были предприняты коллективные усилия по поиску специфичных для рака молекулярных мишеней, таких как комплексы белок-ДНК, которые включают мотив связывания ТАТА. Соединения, которые захватывают промежуточный продукт белок-ДНК, могут привести к тому, что он станет токсичным для клетки , когда они столкнутся с событием процессинга ДНК . Примеры препаратов , содержащих такие соединения, включают топотекан , SN-38 ( топоизомераза I ), доксорубицин и митоксантрон ( топоизомераза II ). [45] Цисплатин представляет собой соединение, которое ковалентно связывается с соседними гуанинами в большой бороздке ДНК , что искажает ДНК , открывая доступ ДНК-связывающим белкам в малой бороздке . [45] Это дестабилизирует взаимодействие между ТАТА-связывающим белком (TBP) и ТАТА-боксом. В результате ТАТА-связывающий белок (TBP) иммобилизуется на ДНК, чтобы подавить инициацию транскрипции .
Эволюционные изменения подтолкнули растения к адаптации к меняющимся условиям окружающей среды. В истории Земли развитие аэробной атмосферы Земли привело к дефициту железа в растениях . [46] По сравнению с другими представителями того же вида, Malus baccata var. xiaojinensis имеет ТАТА-бокс, встроенный в промотор выше промотора регулируемого железом транспортера 1 (IRT1) . В результате уровни активности промотора повышаются, что приводит к увеличению активности TFIID и последующей инициации транскрипции , что приводит к более эффективному использованию железа фенотипу. [46]
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )