Факторы транскрипции

Факторами транскрипции (другое название - специфические последовательности ДНК связующие факторы) в молекулярной биологии называют белки, которые связываются с регуляторными участками ДНК с помощью своих ДНК-связывающих доменов и является частью системы, которая регулирует транскрипцию, то есть передачу генетической информации от ДНК в РНК [1] [2].

Различные факторы транскрипции могут как способствовать связыванию РНК-полимеразы с промотором (в таком случае наблюдается активация транскрипции, а сам фактор называется "Активатором"), так и предотвращать связывание РНК-полимеразы (в таком случае происходит репрессия транскрипции, а сам фактор называется "Репрессором") [3] [4]. Факторы транскрипции выполняют такую ​​функцию либо самостоятельно, либо используя другие вспомогательные белки. В зависимости от функции, эти белки также подразделяются на "коактиваторы" и "корепресоры".



1. Функция

1.1. Базальные факторы транскрипции

В эукариот важный класс факторов транскрипции, необходимых для любой транскрипции, называется базальными факторами транскрипции [5] [6] Некоторые из них не связываются непосредственно с ДНК, но является частью большого комплекса инициации вместе с РНК-полимеразой. К базальным факторов транскрипции относятся TFIIA, TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF, and TFIIH. [7] Присоединяясь к ДНК в районе промотора, они создают "платформу" для РНК-полимеразы, на которую она садится, и таким образом инициируют транскрипцию. Базальные факторы транскрипции отличаются по своей структуре и функциям. Одни содержат регионы для связи с ТАТА-боксом на ДНК (ТАТА-соединительный протеин транскрипционного фактора TFIID), другие имеют протеинкиназну или геликазну активность, например, TAF250-TFIID. Базальные факторы транскрипции убиквитарный (ubiquitarius; лат. Ubique везде), т.е. присутствуют равномерно во всех клетках всего организма и на специфическую экспрессию генов не влияют.


1.2. Специфические факторы транскрипции

Специфические факторы транскрипции "сообщают" РНК-полимеразы, какой именно ген необходимо активировать. Они находятся только в тех клетках, в которых они имеют активировать (или репрессировать) определенный ген. Промоторы, с которыми они связываются, имеют определенные характерные нуклеотидные последовательности ( энхансер или сайленсеры), которые распознают факторы транскрипции и сочетаются с ними. Специфические факторы транскрипции часто активируются протеинкиназы, и такая активация последней звеном длительного процесса передачи клеточного сигнала, начавшийся с активации рецептора.


2. Процессы, регулируются факторами транскрипции

2.1. Развитие

В дрожжей при определенных условиях культивирования может наблюдаться морфологическое развитие в волокнистую структуру. Это развитие регулирующих факторы транскрипции Ste12 и Tec1 [8].

В растений факторы транскрипции регулируют развитие и формирование семян, его прорастание, рост проростка, формирование таких органов по меристематическая ткани, как побег и цветок. Примером регуляции морфогенеза факторами транскрипции в покрытосеменных может быть ABC модель развития цветки. Гены, которые контролируют идентичность меристемы соцветия относятся к MADS симейтва факторов транскрипции. Гены класса А (APETALA2 (AP2) и APETALA1 (AP1)) контролируют развитие чашелистики и лепестков. Гены класса (APETALA3 (AP3) и PISTILLATA (PI)) отвечают за лепестки и тичникы, а гены класса (AGAMOUS (AG)) за развитие тычинок и гинецию [9].

Многочисленные факторы транскрипции задействовано в регуляции развития многоклеточных организмов - онтогенезе. В ответ на полученный сигнал такие факторы транскрипции включают или выключают транскрипцию генов, что приводит к изменению морфологии клетки и определяет ее дифференциацию. Например, фактор транскриции из семейства Hox отвечает за надлежащую схему формирования тела, начиная с плодовой мухи дрозофилы, заканчивая человеком [10] [11]. Другим примером фактора транскрипции, задействованного в эмбриогенезе, является SRY, который играет решающую роль в формировании пола человеческого плода [12].


2.2. Клеточный цикл

Многие транскрипционных факторов задействовано в регуляции клеточного цикла. Они определяют, до какого размера должен вырасти клетка, когда именно она должна вступить в процесс разделения и когда завершить такой процесс. Примером такого транскрипционного фактора в дрожжей является Swi5, работа которого приводит к деактивации специфической протеинкиназы и, как следствие, выхода клеток из стадии митотического деления [13].

У растений клеточный цикл, а именно консерватнивний регуляторный путь перехода от G1 (G0) в S фазе, регулирует фактор транскрипции E2F. Подобный по структуре фактор транскрипции существует и в животных. Он играет похожую функцию в контроле клеточного деления [14]. Другим примером регуляции клеточного цикла у животных есть Myc-онкоген, который играет роль в росте клетки и апоптозе.


2.3. Ответ на внутриклеточные сигналы

Клетки могут общаться между собой путем выделения во внеклеточную среду молекул, которые воспринимает система рецепторов другой клетки. Полученный сигнал запускает каскад передачи молекулярного сигнала внутри клетки, передается к факторам транскрипции и, как результат, приводит к включению или вимикнення генов, которые регулирует соответствующий фактор транскрипции.

Примером подобной коммуникации в растений может служить регуляция экспрессии генов под действием этилена под контролем этилен-чувствительных факторов транскрипции. Этилен является фитогормоном, синтез которого происходит в клетках растений и регулирующий созревания фруктов и "Старения" и опадение листья осенью [15].

В животных примером подобной регуляции выступает эстроген. Секретируемых тканями яичников и плаценты, эстроген проникает сквозь клеточную мембрану клеток-реципиентов, связывается с эстрогеновых рецепторов в цитоплазме и транспортируется в клеточное ядро, где прикрепляется к характерным участков ДНК в промоторному регионе. Следствием чего является изменение транскрипционной активности соответствующих генов.


2.4. Ответ на условия внешней среды

Любое изменение условий окружающей среды улавливают рецепторные системы клетки. Специфический сигнал проходит к факторам транскрипции, следствием активацию генов, продукты которых задействованы в адаптации к изменившимся условиям - изменений в температуре или влажности, уровне кислорода, кислотности, ультрафиолетового излучении или освитлюванности, наличии питательных веществ.

Например, в дрожжей при культивирования на среде с достаточным количеством моно-и дисахаридов исключены все гены, задействованные в метаболизме альтернативных питательных веществ, таких как рафиноза. Такое явление называется Глюкозная репрессия. При отсутствии легкодоступных углеводов системы глюкозно репрессии выключаются, и факторы транскрипции включают гены, ответственные за метаболизм альтернативных источников углеводов.

У животных транскрипционный фактор теплового шока HSF (Heat Shock Factor) включает экспрессию генов, продукты которых помогают клетке выжить в условиях повышенной температуры, а фактор, индуцированный гипоксией (HIF, Hypoxia-Inducible Factor), включает гены, защищающие клетку в условиях кислородного голода.


3. Регуляция

Обычно большинства биологических процессов присущи многоуровневая регуляция и контроль. Это касается и факторов транскрипции - они не только самостоятельно контролируют эффективность транскрипции в регулировании количества любого генного продукта ( мРНК и белка) в клетке, наличие факторов транскрипции и эффективность их работы сама сложно регулируется. Ниже приведен краткий обзор этих регуляторных путей.


3.1. Синтез

Как любой белок, фактор транскрипции закодировано в виде гена, считывается с хромосомы в виде мРНК, которая впоследствии транслируется в белок. Каждый из таких этапов синтеза может регулироваться, что влияет на производство и, соответственно, активность фактора транскрипции. Интересной особенностью регуляции на данном этапе является то, что фактор транскрипции может регулировать сам себя с помощью отрицательной обратной связи. В этом случае он может действовать как собственный репрессор : если фактор транскрипции присоединяется к промотора перед собственным геном, это приводит к уменьшению синтеза РНК из своего собственного гена [16]. Это один из механизмов, объясняет общий низкий уровень экспрессии факторов транскрипции в клетке. В некоторых случаях обратная связь может быть и положительным, что приводит к резкому различия в количестве (или уровни активности) фактора транскрипции на разных стадиях жизни клетки [17].

Недавно открытые микроРНК играют существенную роль в регуляции транскрипции генов путем репрессии трансляции белка с мРНК или содействию деградации мРНК, комплементарно связываясь с мишенью. Во многих случаях мРНК факторов транскрипции раз и выступает непосредственной мишенью некоторых микроРНК. Например, у растений экспрессия ТСР генов, кодирующих факторы транскрипции регулирует микроРНК [18].


3.2. Транспорт

В эукариот гены факторов транскрипции, как и большинство белков, транскрибируются в клеточном ядре, после чего их мРНК транспортируются в цитоплазму, где и проходит процесс трансляции. Впрочем, белки, обслуживающих ядерные процессы, возвращаются обратно в ядра в процессе ядерного транспорта. Сигналом для этого является наличие в белковой последовательности специального региона, который называется сигнальной последовательностью ядерной локализации. Эта последовательность играет значительную роль в регуляции факторов транскрипции. [19]. Некоторые факторы транскрипции, например, определенные ядерные рецепторы и некоторые другие, прежде чем они будут транспортированы к ядру, также должны присоединить определенный необходимый для их активации лиганд еще в цитоплазме.


3.3. Активация

Некоторые факторы транскрипции имеют в своей структуре кроме домена, с помощью которого фактор привязывается к ДНК, еще целый ряд регуляторных, чувствительных к определенным молекулярных сигналов доменов. По механизму восприятия сигнала их условно можно разделить на следующие категории:

  • связь с лигандом. Как было указано выше, связь с лигандом может определять эффективность или возможность ядерной локализации фактора. Так же связь с лигандом может изменять пространственную структуру белка и таким образом влиять на эффективность взаимодействия белок-ДНК, а также на белок-белковую взаимодействие.
  • фосфорилирования. Многие факторы транскрипции, например STAT, в своей структуре содержат специфические участки, которые должны фосфорилюватись, первые чем фактор транскрипции свяжется с ДНК [20] [21].
  • взаимодействие с другими факторами транскрипции. Часто факторы транскрипции способны к гомо-, гетеро-и димеризации или образования белковых комплексов с регуляторными белками.

3.4. Физическая доступность участков ДНК к связыванию с фактором

В эукариот гены, не транскрибируются на данный момент, часто локализуются в гетерохроматина. Гетерохроматин - это плотно упакована вместе с гистонами участок хромосомы. ДНК в упакованном виде физически недоступна для большинства факторов транскрипции. Для того, чтобы фактор транскрипции имел возможность присоединиться к ДНК, гетерохроматин должен раскрутиться в эухроматин - менее плотную организацию хромосомы. Это осуществляется путем модификации гистонов, например, их метилированием. Таким образом регуляция структуры хроматина косвенно влияет на регуляцию работы факторов транскрипции. Другим фактором физической недоступности может быть занятость участка ДНК другим фактором транскрипции. Факторы транскрипции могут работать в паре, играя антагонистические роли ( активатор - репрессор) в регуляции транскрипции одного и того же гена.


3.5. Наличие других кофакторов и факторов транскрипции

Большинство факторов транскрипции не работают самостоятельно. Начало транскрипции требует одновременной работы многих белков. Отсутствие хотя бы одного может привести к неэффективной работе всего комплекса инициации и РНК-полимеразы.

4. Структура

Факторы транскрипции имеют модульную структуру и содержат такие домены :

  • ДНК-связывающий домен, с помощью которого фактор транскрипции непосредственно звьязуюеться с ДНК в районе промоторов.
  • Домен транс-активации, содержит участки, куда могут присоединяться другие белки, такие как транскрипционные ко-регуляторы. Эти домены часто фигурируют в контексте активаторного функции [22]
  • Домен, чувствительный к сигналу, или, как его еще называют, лиганд-связывающий домен, который может распознавать внешний молекулярный сигнал и соответственно изменять активность фактора транскрипции, приводит к общей изменения в экспрессии генов. Чувствительность к сигналу и функция трансактивации может быть как в одном и том же домене, так и находиться не только в разных доменах, но и в разных белках.

4.1. Домен ДНК привязки

Домен ДНК привязки - любой белковый мотив, который связывается с двойным или одинарным цепью ДНК благодаря сродства к ДНК вообще или к конкретному специфической последовательности нуклеотидов. Ниже приведен список нескольких основных доменов ДНК привязки.

Семья Структурная классификация белков SCOP База данных InterPro
основная спираль-петля-спираль basic helix-loop-helix (bHLH) [23] SCOP 47460 IPR001092
основной лейциновий zipper basic leucine zipper (bZIP) [24] SCOP 57959 IPR004827
C-терминальный эффекторный домен регуляторов двусторонней ответы SCOP 46894 IPR001789
GCC бокс SCOP 54175
спираль-поворот-спираль helix-turn-helix (HTH) [25]
гомеодоменний протеин - звьязуюеться с промоторной последовательности генов из семейства, имеющие гомеобокс последовательность и которые сами являются факторами транскрипции, которые задействованы в регуляции развития. [26] SCOP 46689 IPR009057
парный бокс, который содержат гены семейства pax [27]
крылатая спираль SCOP 46785 IPR011991
цинковые пальцы [28]
* Мульти-домен Cys 2 His 2 цинковые-пальцы [29] SCOP 57667 IPR007087
* Zn 2 / Cys 6 SCOP 57701
* Zn 2 / Cys 8 ядерный рецептор цинковые пальцы SCOP 57716 IPR001628

4.2. Участок связывания

Последовательность ДНК, к которой прикрепляется фактор транскрипции называется участком связывания. Факторы транскрипции взаимодействуют химически с этим участком с помощью комбинации электростатических или ван-дер-ваальсовых сил. Природа этих химических взаимодействий определяет специфичность присоединения к ДНК большинства факторов транскрипции, однако сама сила соответствующего взаимодействия зависит от нуклеотидной последовательности. Некоторые факторы транскрипции способны присоединяться не к одному последовательности, а в разных, если они подобны, образуя различные по силе связи.

Например, ТАТА-соединительный протеин специфически распознает нуклеотидную последовательность TATAAAA (ТАТА-бокс), но способен также присоединяться к таким последовательностей, как TATATAT или TATATAA.

Поскольку факторы транскрипции могут присоединяться к целому ряду нуклеотидных последовательностей, касается того достаточно короткие и встречаются часто на всем геноме, маловероятно, что факторы транскрипции присоединятся к любой подобной последовательности на любом участке ДНК. Вероятно, что физическая доступность участка ДНК, наличие кофакторов способствуют определению, какой именно фактор транскрипции будет работать на этой конкретной области ДНК. Сама нуклеотидная последовательность не является достаточной информацией для предсказания потенциальной участки связывания.

Впрочем, существуют компьютерные программы, которые могут предсказать возможные участки связывания благодаря алгоритму сравнению нуклеотидных последовательностей с уже известными и описанными ранее, например TFSEARCH [30], AliBaba 2.1, F-Match 1.0, Match - 1.0 [31].


5. Классификация факторов транскрипции

Поскольку факторы транскрипции имеют много сходств в построении доменов, хотя механизмы регуляции, а также процессы, которые они регулируют, существенно отличаются, существует три независимых классификации факторов транскрипции: (1) классификация по механизму действия (2) функциональная классификация и (3) классификация по сходством структурных доменов. Все три типа классификации касаются одновременно всех типов живых организмов.

5.1. Классификация по механизму действия

Различают три основных типа по механизму действия:

  • Базальные факторы транскрипции, задействованные в формировании комплекса преинициации. Как было упомянуто выше, к таковым относятся факторы TFIIA, TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF, and TFIIH, которые являются убиквитарный и связываются с ДНК в регионе вокруг транскрипционного старта генов класса II. [32]
  • Верхние факторы транскрипции - факторы, которые присоединяются к промотора выше последовательности инициации транскрипции, стимулируя или репрессируя транскрипцию.
  • Транскрипционные факторы, которые индуцируются - факторы, подобные предыдущей группы, но требуют определенного молекулярного сигнала для присоединения к транскрипционного комплекса.

5.2. Функциональная классификация

Факторы транскрипции клисификують при их регуляторной функцией:

  • I. конститутивные - присутствуют во всех клетках в любой момент времени. Например, базальные факторы транскрипции, Sp1, NF1, Ccaat-энхансер-связывающий протеин.
  • II. Индуцибельной - требующие активации ..
    • II.A зависимые от процесса развития (клеточно-специфические) - их экспрессия контролируется, впрочем, если они уже имеются в клетке, то не требуют дополнительной активации - GATA, HNF, PIT-1, MyoD, Myf5, Hox.
    • II.B зависимые от сигнала - требующие внешнего сигнала для активации.
      • II.B.1 зависимые от внеклеточного сигнала-лиганда.
      • II.B.2 зависимые от внутриклеточного сигнала-лиганда - SREBP, p53.
      • II.B.3 зависимые от рецепторов клеточной мембраны.
        • II.B.3.a резидентные ядерные факторы - такие, что находятся в ядре в зависимости от полученного сигнала. Например: CREB, AP-1, Mef2.
        • II.B.3.b латентные цитоплазматические факторы - неактивная форма фактора транскрипции, содержащегося в цитоплазме при получении соответствующего сигнала и активации стремится к ядра. Наприлад: STAT, R-SMAD, NF-kB, Notch, TUBBY, NFAT.

5.3. Классификация по сходству структурных доменов

Пространственная структура P53, связанного с ДНК PDB 1TUP.

Чаще факторы транскрипции классифицируют по подобию функциональных доменов и третичной структуры их домена ДНК-привязки [33] [34] [35].

  • 1 Надкласс: Основные Домены (основная спираль-петля-спираль) basic helix-loop-helix (bHLH)
    • 1.1 Класс: Лейцинова застежка (Leucine zipper bZIP)
      • 1.1.1 Семейство: AP-1-подобные
      • 1.1.2 Семейство: CREB
      • 1.1.3 Семейство: Ccaat-энхансер-связывающий протеин-образные
      • 1.1.4 Семейство: bZIP / PAR
      • 1.1.5 Семейство Растительные G-box связующие факторы
      • 1.1.6 Семейство: ZIP только
    • 1.2 Класс: Спираль-петля-спираль
      • 1.2.1 Семейство: убиквитарный факторы класс А
      • 1.2.2 Семейство: миогенная факторы MyoD
      • 1.2.3 Семейство: Achaete-Scute
      • 1.2.4 Семейство: Tal / Twist / Atonal / Hen
    • 1.3 Класс: Спираль-петля-спираль / Лейцинова застежка bHLH-ZIP
      • 1.3.1 Семейство: убиквитарный bHLH-ZIP факторы, включая USF и SREBP
      • 1.3.2 Семейство: Факторы, которые контролируют клеточный цикл c-Myc
    • 1.4 Класс: NF-1
      • 1.4.1 Семейство: NF-1
    • 1.5 Класс: RF-X
      • 1.5.1 Семейство: RF-X (гены NFX2, NFX3, NFX5)
    • 1.6 Класс: bHSH
  • 2 Надкласс: Цинк-координированные домены ДНК привязки
    • 2.1 Класс: Cys4 цинковые пальцы (zinc finger) ядерных рецепторов
      • 2.1.1 Семейство: Рецепторы стероидных гормонов
      • 2.1.2 Семейство: Подобные рецепторов тиреоидных гормонов
    • 2.2 Класс: разнообразные Cys4 цинковые пальцы
      • 2.2.1 Семейство: GATA факторы транскрипции
    • 2.3 Класс: Cys2His2 домен цинковые пальцы
      • 2.3.1 Семейство: убиквитарный факторы TFIIIA и Sp1
      • 2.3.2 Семейство: Регуляторы роста и клеточного цикла Kr?ppel
      • 2.3.4 Семейство: Большие факторы со связующими качествами / NF-6B-образные
    • 2.4 Класс: Cys6 цистеин-цинковый кластер
    • 2.5 Класс: Цинковые пальцы другой композиции
  • 3 Надкласс: Спираль-поворот-спираль
    • 3.1 Класс: гомеобокс
      • 3.1.1 Семейство: Только гомеодомен Ubx
      • 3.1.2 Семейство: POU домен
      • 3.1.3 Семейство: Гомеодомен с регионом LIM
      • 3.1.4 Семейство: Гомеодомен плюс цинковые пальцы
    • 3.2 Класс: Парный бокс
      • 3.2.1 Семейство: Парный бокс плюс гомеодомен
      • 3.2.2 Семейство: Только парный бокс
    • 3.3 Класс: Вилкова головка (Fork head) / Крылатая спираль (Winged helix)
      • 3.3.1 Семейство: Регуляторы развития forkhead
      • 3.3.2 Семейство: Тканевый-специфические регуляторы
      • 3.3.3 Семейство: Регуляторы клеточного цикла
      • 3.3.0 Семейство: Другие регуляторы
    • 3.4 Класс: Факторы теплового шока HSF
      • 3.4.1 Семейство: HSF
    • 3.5 Класс: триптофановой кластер
      • 3.5.1 Семейство: Myb
      • 3.5.2 Семейство: Ets-образный
      • 3.5.3 Семейство: Интерферон регулируемый
    • 3.6 Класс: TEA домен транскрипционный энхансер
      • 3.6.1 Семейство: TEA (TEAD1, TEAD2, TEAD3, TEAD4)
  • 4 Надкласс: бета-складчатые факторы с незначительным желобковая контактом
    • 4.1 Класс: RHR
      • 4.1.1 Семейство: Rel / ankyrin, NF-kB
      • 4.1.2 Семейство: ankyrin только
      • 4.1.3 Семейство: NF-AT
    • 4.2 Класс: STAT
      • 4.2.1 Семейство: STAT
    • 4.3 Класс: p53
      • 4.3.1 Семейство: p53
    • 4.4 Класс: MADS бокс
      • 4.4.1 Семейство: регуляторы дифференциации
        • 4.4.2 Семейство: те, что отвечают на внешний сигнал
    • 4.5 Класс: бета-Barrel альфа-спираль
    • 4.6 Класс: TATA-связывающий протеин
      • 4.6.1 Семейство: TBP
      • 4.7.1 Семейство: SOX, SRY
      • 4.7.2 Семейство: TCF-1
      • 4.7.3 Семейство: HMG2-образные, SSRP1
      • 4.7.5 Семейство: MATA
    • 4.8 Класс: Гетеромерни CCAAT факторы
      • 4.8.1 Семейство: Гетеромерни CCAAT факторы
    • 4.9 Класс: Grainyhead
      • 4.9.1 Семейство: Grainyhead
    • 4.10 Класс: Домен холодового шока
      • 4.10.1 Семейство: csd
    • 4.11 Класс: Runt
      • 4.11.1 Семейство: Runt
  • 0 Надкласс: Другая факторы транскрипции
    • 0.1 Класс: Copper первый протеин
    • 0.2 Класс: HMGI (Y)
      • 0.2.1 Семейство: HMGI (Y)
    • 0.3 Класс: Pocket домен
    • 0.4 Класс: E1A-образный
    • 0.5 Класс: AP2/EREBP-подибний
      • 0.5.1 Семейство: Apetala 2
      • 0.5.2 Семейство: EREBP
      • 0.5.3 надсемейства: AP2/B3
        • 0.5.3.1 Семейство: ARF
        • 0.5.3.2 Семейство: ABI
        • 0.5.3.3 Семейство: RAV

6. Методы исследования факторов транскрипции

6.1. Компьютерные методы исследования

Методы предсказания участков связывания для факторов транскрипции

  • Метод исследования нуклеотидных последовательностей.

Сейчас самый распространенный метод предсказания потенциальных участков связывания, основанный на сравнении с уже известными ранее описанными участками. Для поиска используют алгоритм матриц позиционной веса (Position Weight Matrix, PWM) [36] Впрочем, точность предсказания зависит от позиции участка на хромосоме и качества прочтения участки ДНК.

  • Метод ab-initio (лат. от начала).

Этот метод не основывается на экспериментальных данных, а скорее на компьютерном симуляции контакта нуклеотидов и аминокислот. Компьютерные моделирования, которые рассматривают структурную гибкость и избыточность взаимодействия, требуют интенсивного и длительного вычисления. "Карты свободной-энергии", полученные от вычислений взаимодействия различных пар нуклеотидов и аминокислот, показали различную специфичность. Эти данные для всех комбинаций нуклеотидов и аминокислот могут быть использованы для предсказания участков связывания. [37]

  • Метод сравнения структур.

Заключается в анализе базы данных структур комплекса ДНК - белок. В этом случае потенциальные функции для специфических взаимодействий между нуклеотидами и аминокислотами определяются эмпирически, как результат статистического анализа. Для оценки способности последовательностей в сложных структур специфических факторов транскрипции используют статистический потенциал и комбинацию последовательных вычислительных процедур, подобную распознавания трехмерной структуры протеина. Точность этого метода для целевого предсказания все еще ограничена из-за ограниченного количества доступных структурных данных. Однако, преимущество этого метода состоит в том, что можно количественно исследовать специфичность эффектов деформации ДНК и другие структурные эффекты. Потенциальное увеличение количества структурных данных делает этот метод достаточно перспективным. [38]


6.2. Лабораторные методы исследования

Поиск новых факторов транскрипции.

Как и любой ген, ген, кодирующий фактор транскрипции, а также промоторной последовательности ДНК, можно клонировать, используя стандартные технологии и информацию, полученную с помощью компьютерных методов исследования. Клонированный ген можно хранить в векторе и использовать для различных экспериментов - от детекции гена в геноме в генно-инженерных манипуляций.

  • ChIP-on-chip

Новый мощный экспериментальный метод, который является комбинацией иммунопреципитации хроматина (ch romatin i mmuno p recipitation ("ChIP")) и технологии биочипа. Метод позволяет изучать взаимодействие белков и ДНК in vivo. [39] Чаще всего его используют в экспериментах с организмами, геном которых прочитано полностью, что дает максимальное количество информации о нуклеотидных последовательностей промоторов. До сих последовательности присоединяются белки, которые могут быть потенциальными факторами транскрипции, благодаря способности присоединяться физически к ДНК. Эти белки можно детектировать, выделять и секвенировать. Недостатками этого метода является высокая цена, большой размер ДНК фрагментов, анализ, а также невозможность различать геномные повторы.

Изучение структуры и физико-химических свойств факторов транскрипции

Этот метод базируется на экспериментальном измерении химического сродства фактора транскрипции к участку связывания. Поскольку в данном случае измеряется физическая возможность связи, предсказания является достоверным. Метод имеет определенные ограничения, поскольку не учитывает возможного участия других факторов транскрипции для связывания, а также изменения трехмерной конфигурации молекулы при получении дополнительных молекулярных сигналов. [40]

Изучение функции факторов транскрипции.

Реакция обратной транскрипции в сочетании с ПЦР в реальном времени позволяет количественно оценивать уровень экспрессии генов, кодирующих факторы транскрипции. Метод позволяет одновременно исследовать экспрессию всех сегодня известных факторов транскрипции в различных тканях. Например для арабидопсиса разработана платформа ПЦР в реальном времени, где анализу подвергают одновременно 1400 факторов транскрипции [41]

Биочип также широко используется для изучения экспрессии генов в различных тканях. Как и для ПЦР в реальном времени, мРНК должна быть обратно-транскрибованих в кДНК, замечена радиоактивным или флюоресцентной меткой и загибридизована на биочип. Метод дает возможность сравнивать мРНК из различных тканей. [42]

  • Визуализация работы факторов транскрипции in vivo.

Открытие зеленого флюоресцентного белка и использование его в лабораторных исследованиях открыло новые возможности для визуализации локализации и динамики миграции факторов транскрипции в клетке. Для этого используют комбинацию генно-инженерных подходов и флуоресцентную микроскопию. [43]


7. Значение для человека

7.1. Болезни

Поскольку факторы транскрипции регулируют экспрессию целого ряда генов, мутации в них, как правило, значительно влияют на фенотипические проявления, касающиеся процессов развития и клеточного цикла.

У человека описано несколько болезней, вызванных мутацией в генах, кодирующих факторы транскрипции.

  • Синдром Ретта. Психоневрологическая болезнь, вызванная мутацией в транскрипционных факторов MECP2 [44]. Это репрессор, который работает в определенный момент времени в мозгу ребенка и является ответственным за отключение в определенный момент нескольких генов на протяжении развития мозга. Если ген мутировавший, то исключение не происходит и мозг начинает неправильно развиваться. Ген локализован на Х-хромосоме, поэтому болезнь наблюдается только у девочек. Для плода мужского пола эта мутация летальная.
  • Диабет. Одна из редких форм диабета может быть вызвана мутациями в генах факторов транскрипции, один из которых называется гепатоцитний ядерный фактор HNF [45], а другой - фактор инсулинового промотора IPF1 [46].
  • Вербальная апраксия. Болезнь, когда пациент не способен к координированных движений и жестов, которые сопровождают речь. Вызванная мутацией в факторе транскрипции FOXP2 [47].
  • Рак. Известно, что многие факторы транскрипции задействованы в канцерогенезе. Например такие как P53 [48] и c-Myc [49].

7.2. Одомашнивание и селекция

Сравнительный анализ геномов растений показал, что гены, кодирующие факторы транскрипции, эволюционируют быстрее. Причем именно на отбор мутаций этих генов была направлена ​​искусственная селекция растений, которая привела к их одомашнивания.

  • Одомашнивание кукурузы. Мутация гена, кодирующего фактор транскрипции tga1, который принадлежит к семейству SBP-доменов привела к превращению предка кукурузы теосинте на современную кукурузу [50].
  • Одомашнивание томатов. Согласно результатам научного исследования, размер фруктов томатов обусловлен мутацией в факторе транскрипции, который гомологический к человеческому онкогена cH-ras p21 [51].
  • Одомашнивание пшеницы. Основным геном, мутация в котором помогла образованию одомашненной формы пшеницы, был ген Q, который принадлежит к факторам транскрипции семейства AP2. Этот ген контролирует ряд фенотипических признаков, такие как форму и упругость зерновки, длину колоса, хрупкость стебля, а также время колошения [52].