Активатор транскрипции — это белок ( фактор транскрипции ), который увеличивает транскрипцию гена или набора генов. [1] Считается, что активаторы положительно контролируют экспрессию генов, поскольку они способствуют транскрипции генов и, в некоторых случаях, необходимы для транскрипции генов. [1] [2] [3] [4] Большинство активаторов — это ДНК-связывающие белки , которые связываются с энхансерами или проксимальными к промотору элементами . [1] Участок ДНК, связанный активатором, называется «сайтом связывания активатора». [3] Часть активатора, которая осуществляет белок-белковые взаимодействия с общим механизмом транскрипции, называется «активирующей областью» или «доменом активации». [1]
Большинство активаторов функционируют, связываясь специфично для последовательности с регуляторным участком ДНК, расположенным вблизи промотора , и осуществляя белок-белковые взаимодействия с общим механизмом транскрипции ( РНК-полимераза и общие факторы транскрипции ), тем самым облегчая связывание общего механизма транскрипции с промотором. [1] [2] [3] [4] Другие активаторы способствуют транскрипции генов, заставляя РНК-полимеразу высвобождаться из промотора и двигаться по ДНК. [2] Иногда РНК-полимераза может останавливаться вскоре после выхода из промотора; активаторы также функционируют, позволяя этим «застрявшим» РНК-полимеразам продолжать транскрипцию. [1] [2]
Активность активаторов можно регулировать. Некоторые активаторы имеют аллостерический сайт и могут функционировать только тогда, когда определенная молекула связывается с этим сайтом, по сути, включая активатор. [4] Посттрансляционные модификации активаторов также могут регулировать активность, увеличивая или уменьшая ее в зависимости от типа модификации и модифицируемого активатора. [1]
В некоторых клетках, обычно эукариотах, несколько активаторов могут связываться с сайтом связывания; эти активаторы имеют тенденцию связываться кооперативно и взаимодействовать синергически. [1] [2]
Активаторные белки состоят из двух основных доменов : ДНК-связывающего домена , который связывается с последовательностью ДНК, специфичной для активатора, и домена активации , который функционирует для увеличения транскрипции гена путем взаимодействия с другими молекулами. [1] Активаторные ДНК-связывающие домены бывают разных конформаций, включая спираль-поворот-спираль , цинковый палец и лейциновую молнию среди прочих. [1 ] [ 2] [3] Эти ДНК-связывающие домены специфичны для определенной последовательности ДНК, что позволяет активаторам включать только определенные гены. [1] [2] [3] Домены активации также бывают разных типов, которые классифицируются на основе аминокислотной последовательности домена, включая богатые аланином , богатые глутамином и кислые домены. [1] Эти домены не столь специфичны и, как правило, взаимодействуют с различными целевыми молекулами. [1]
Активаторы также могут иметь аллостерические участки , которые отвечают за включение и выключение самих активаторов. [4]
В канавках двойной спирали ДНК функциональные группы пар оснований обнажены. [2] Таким образом, последовательность ДНК создает уникальный рисунок поверхностных особенностей, включая области возможного образования водородных связей , ионных связей , а также гидрофобных взаимодействий . [2] Активаторы также имеют уникальные последовательности аминокислот с боковыми цепями, которые способны взаимодействовать с функциональными группами в ДНК. [2] [3] Таким образом, рисунок боковых цепей аминокислот, составляющих белок-активатор, будет комплементарным поверхностным особенностям конкретной регуляторной последовательности ДНК, с которой он был разработан для связывания. [1] [2] [3] Комплементарные взаимодействия между аминокислотами белка-активатора и функциональными группами ДНК создают специфичность «точного соответствия» между активатором и его регуляторной последовательностью ДНК. [2]
Большинство активаторов связываются с большими бороздками двойной спирали, поскольку эти области, как правило, шире, но есть и такие, которые связываются с малыми бороздками. [1] [2] [3]
Сайты связывания активатора могут располагаться очень близко к промотору или на расстоянии множества пар оснований. [2] [3] Если регуляторная последовательность расположена далеко, ДНК будет образовывать петлю вокруг себя (петлеобразование ДНК), чтобы связанный активатор мог взаимодействовать с транскрипционным аппаратом на сайте промотора. [2] [3]
У прокариот несколько генов могут транскрибироваться вместе ( оперон ) и, таким образом, контролироваться одной и той же регуляторной последовательностью. [2] У эукариот гены, как правило, транскрибируются индивидуально, и каждый ген контролируется своими собственными регуляторными последовательностями. [2] Регуляторные последовательности, где связываются активаторы, обычно находятся выше промотора, но они также могут быть обнаружены ниже или даже внутри интронов у эукариот. [1] [2] [3]
Связывание активатора с его регуляторной последовательностью стимулирует транскрипцию гена, активируя активность РНК-полимеразы. [1] [2] [3] [4] Это осуществляется посредством различных механизмов, таких как привлечение транскрипционного аппарата к промотору и запуск РНК-полимеразы для продолжения удлинения. [1] [2] [3] [4]
Гены, контролируемые активаторами, требуют связывания активаторов с регуляторными участками для привлечения необходимого транскрипционного аппарата в область промотора. [1] [2] [3]
Взаимодействие активатора с РНК-полимеразой в основном прямое у прокариот и непрямое у эукариот. [2] У прокариот активаторы, как правило, напрямую контактируют с РНК-полимеразой, чтобы помочь связать ее с промотором. [2] У эукариот активаторы в основном взаимодействуют с другими белками, и эти белки затем будут теми, кто будет взаимодействовать с РНК-полимеразой. [2]
У прокариот гены, контролируемые активаторами, имеют промоторы, которые сами по себе не способны прочно связываться с РНК-полимеразой. [2] [3] Таким образом, белки-активаторы помогают способствовать связыванию РНК-полимеразы с промотором. [2] [3] Это осуществляется посредством различных механизмов. Активаторы могут изгибать ДНК, чтобы лучше раскрыть промотор, чтобы РНК-полимераза могла связываться более эффективно. [3] Активаторы могут напрямую контактировать с РНК-полимеразой и закреплять ее на промоторе. [2] [3] [4]
У эукариот активаторы имеют множество различных целевых молекул, которые они могут привлекать для содействия транскрипции генов. [1] [2] Они могут привлекать другие факторы транскрипции и кофакторы , необходимые для инициации транскрипции. [1] [2]
Активаторы могут привлекать молекулы, известные как коактиваторы . [1] [2] Эти молекулы коактиваторов затем могут выполнять функции, необходимые для начала транскрипции вместо самих активаторов, такие как модификации хроматина. [1] [2]
ДНК гораздо более конденсирована у эукариот; таким образом, активаторы склонны привлекать белки, которые способны реструктурировать хроматин, чтобы промотор был более доступен для транскрипционного аппарата. [1] [2] Некоторые белки будут перестраивать расположение нуклеосом вдоль ДНК, чтобы обнажить сайт промотора ( АТФ-зависимые комплексы ремоделирования хроматина ). [1] [2] Другие белки влияют на связывание между гистонами и ДНК через посттрансляционные модификации гистонов , позволяя ДНК, плотно завернутой в нуклеосомы, ослабнуть. [1] [2]
Все эти привлеченные молекулы работают вместе, чтобы в конечном итоге привлечь РНК-полимеразу к промоторному сайту. [1] [2]
Активаторы могут способствовать транскрипции гена, сигнализируя РНК-полимеразе выйти за пределы промотора и продолжить движение по ДНК, инициируя начало транскрипции. [2] Иногда РНК-полимераза может останавливаться вскоре после начала транскрипции, и активаторы необходимы для освобождения РНК-полимеразы из этого «замороженного» состояния. [1] [2] Существует несколько механизмов для освобождения этих «замороженных» РНК-полимераз. Активаторы могут действовать просто как сигнал для запуска непрерывного движения РНК-полимеразы. [2] Если ДНК слишком уплотнена, чтобы позволить РНК-полимеразе продолжить транскрипцию, активаторы могут привлекать белки, которые могут реструктурировать ДНК, чтобы удалить любые блоки. [1] [2] Активаторы также могут способствовать привлечению факторов удлинения, которые необходимы РНК-полимеразе для продолжения транскрипции. [1] [2]
Существуют различные способы регулирования активности самих активаторов, чтобы гарантировать, что активаторы стимулируют транскрипцию генов в подходящее время и на подходящих уровнях. [1] Активность активатора может увеличиваться или уменьшаться в ответ на стимулы окружающей среды или другие внутриклеточные сигналы. [1]
Активаторы часто должны быть «включены», прежде чем они смогут способствовать транскрипции генов. [2] [3] [4] Активность активаторов контролируется способностью активатора связываться со своим регуляторным сайтом вдоль ДНК. [ 2] [3] [4] ДНК-связывающий домен активатора имеет активную форму и неактивную форму, которые контролируются связыванием молекул, известных как аллостерические эффекторы, с аллостерическим сайтом активатора. [4]
Активаторы в неактивной форме не связаны ни с какими аллостерическими эффекторами. [4] В неактивном состоянии активатор не способен связываться со своей специфической регуляторной последовательностью в ДНК и, таким образом, не оказывает регуляторного воздействия на транскрипцию генов. [4]
Когда аллостерический эффектор связывается с аллостерическим сайтом активатора, происходит конформационное изменение в ДНК-связывающем домене, что позволяет белку связываться с ДНК и увеличивать транскрипцию гена. [2] [4]
Некоторые активаторы способны подвергаться посттрансляционным модификациям , которые влияют на их активность в клетке. [1] Было замечено, что такие процессы, как фосфорилирование , ацетилирование и убиквитинирование , среди прочих, регулируют активность активаторов. [1] В зависимости от добавляемой химической группы, а также природы самого активатора, посттрансляционные модификации могут либо увеличивать, либо уменьшать активность активатора. [1] Например, было замечено, что ацетилирование увеличивает активность некоторых активаторов посредством таких механизмов, как увеличение сродства связывания ДНК. [1] С другой стороны, убиквитинирование снижает активность активаторов, поскольку убиквитин помечает белки для деградации после того, как они выполнили свои соответствующие функции. [1]
У прокариот один активаторный белок способен стимулировать транскрипцию. [2] [3] У эукариот обычно более одного активатора собираются в месте связывания, образуя комплекс, который действует, стимулируя транскрипцию. [1] [2] Эти активаторы связываются кооперативно в месте связывания, что означает, что связывание одного активатора увеличивает сродство сайта к связыванию другого активатора (или в некоторых случаях другого регулятора транскрипции), тем самым облегчая связывание нескольких активаторов в этом месте. [1] [2] В этих случаях активаторы взаимодействуют друг с другом синергически , что означает, что скорость транскрипции, достигаемая при совместной работе нескольких активаторов, намного выше, чем аддитивные эффекты активаторов, если бы они работали по отдельности. [1] [2]
Распад мальтозы в Escherichia coli контролируется активацией генов. [3] Гены, кодирующие ферменты, ответственные за катаболизм мальтозы, могут транскрибироваться только в присутствии активатора. [3] Активатор, контролирующий транскрипцию ферментов мальтозы, «выключен» в отсутствие мальтозы. [3] В своей неактивной форме активатор не способен связываться с ДНК и способствовать транскрипции генов мальтозы. [3] [4]
Когда мальтоза присутствует в клетке, она связывается с аллостерическим сайтом белка-активатора, вызывая конформационное изменение в ДНК-связывающем домене активатора. [3] [4] Это конформационное изменение «включает» активатор, позволяя ему связываться со своей специфической регуляторной последовательностью ДНК. [3] [4] Связывание активатора с его регуляторным сайтом способствует связыванию РНК-полимеразы с промотором и, таким образом, транскрипции, производя ферменты, необходимые для расщепления мальтозы, попавшей в клетку. [3]
Белок -активатор катаболита (CAP), также известный как белок-рецептор цАМФ (CRP), активирует транскрипцию в lac- опероне бактерии Escherichia coli . [5] Циклический аденозинмонофосфат (цАМФ) вырабатывается во время глюкозного голодания; эта молекула действует как аллостерический эффектор, который связывается с CAP и вызывает конформационное изменение, которое позволяет CAP связываться с участком ДНК, расположенным рядом с lac-промотором. [5] Затем CAP осуществляет прямое белок-белковое взаимодействие с РНК-полимеразой, которая привлекает РНК-полимеразу к lac-промотору. [5]
