在真核细胞转录因子和转录控制

引用:菲利普斯,t . & Hoopes L。 (2008)在真核细胞转录因子和转录控制。自然教育 1 (1):119

真核生物是如何变得如此复杂得多比原核,没有更多的基因吗?答案在于转录因子。

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复杂的生物有更多吗基因比简单的生物?现在,研究人员可以完整的基因组序列并且这样的生物,他们知道许多脊椎动物只有两倍的基因作为无脊椎动物,和许多这样的的结果重复现有的基因而不是发展的新的。但如果没有许多新基因,什么是负责不可思议的植物和动物物种的多样性?

简单的答案是,真核生物已经开发出一种更复杂的方法比原核生物控制他们现有的基因的表达。这个系统的表达式控制依赖于一组蛋白质被称为转录因素(TFs),它允许真核生物改变他们细胞类型以多种方式和增长模式。TFs并不单独负责基因监管;真核生物也依赖于细胞信号,核糖核酸拼接,核控制机制,染色质修改。然而,TFs结合独联体监管机构DNA序列是负责正面或负面影响特定基因的转录,基本上确定一个特定基因是否会将“打开”或“关闭”的生物。

转录因子识别特定DNA序列

这个解决方案的结构显示绑定NFATC1其DNA结合转录因子序列。转录因子有十二级结构的β链和DNA识别循环。

图1:解决方案核心NFATC1-DNA结构复杂。

二级结构的拓扑表示元素之间的复杂NFATC1转录因子及其12-base-pair绑定在DNA序列。NFATC1-DNA复杂表明NFATC1是ten-stranded反平行的beta-barrel。两个主要表(beta-IHFCE和beta-ABG)形成的核心beta-barrel躺远程从DNA接口,几乎完全不受被绑定到DNA。第三个表(beta-DG),不直接接触DNA但相邻,毗邻多个段,也是非常相似的蛋白质在自由和二进制复杂。最激进的变化,发生在绑定到DNA涉及两大表面循环。

大部分的复杂性分化在动物和植物细胞可以归因于进化精心设计的系统由短(6到8个碱基对)独联体监管的DNA序列或图案,以及绑定到图案的TFs,相互作用形成复合物,并招募RNA聚合酶II(Levine & Tjian, 2003)。大多数真核基因启动子的TATA盒接近5 '末端的基因,更远上游,几个图案被特定的转录因子。此外,许多基因有一个或多个其他附近的序列称为增强剂。增强剂影响转录;这些序列上游发生,下游,或在内含子,他们继续工作是否正常的取向或向后转基因组。在酵母,没有增强剂是已知的;相反,只有上游激活剂序列(uas)。增强剂可以找到成千上万的从一个碱基对启动子,而uas一般在几百个碱基对上游。典型的RNA聚合酶II发起人可以由多个因素必然会受到许多增强剂和启动子和增强子序列。

TFs的作用方式是识别和结合一段DNA在启动子和/或增强器地区。通常,一个变化构象或三维结构的TF,伴随DNA结合。例如,两个循环在NFATC1与DNA相互作用被发现在不同的构象,取决于是否NFATC1包裹着DNA(图1)。此外,特遣部队家庭不同的结构,在本文后面所描述的那样,在这些特定区域蛋白质配合物与DNA识别主题。识别主题通常是只长约6到10碱基对。

实验表明,TFs能紧密结合,在细胞内在体外。TFs结合后启动子或增强子区域的DNA,他们与其他绑定TFs并招募RNA聚合酶II。然而,他们的影响力,可以是积极的还是消极的,这取决于蛋白质和其他功能域的存在的总体影响整个TF复杂。典型的特遣部队有多个功能域,不仅对认识和绑定到适当的DNA链,也与其他TFs交互,与蛋白辅活化因子,RNA聚合酶II,染色质重塑复合物,小非编码RNA。

TFs控制许多重要的部分开发;因此,生物与TF基因的删除表现出深刻的组织和发展(表1)中的违规行为。例如,果蝇,TF antennapedia基因的缺失导致发展的触角成虫盘到腿而不是天线。

表1:部分的影响转录因子(TF)基因缺失果蝇

TF基因删除	基因群	类型的特遣部队	表型观察到的影响
Buttonhead	差距	锌指	缺乏下颌,闰的触角头段
多毛的	对规则	bHLH	异位表达的刚毛在腿和翅膀
Antennapedia	同源转化	同源框	腿的头,天线应该

转录因子发挥组合控制

许多TFs已知促进在数百种不同的启动子转录,而有些人只在少数活跃。实验室技术,如染色质免疫沉淀反应(芯片)和DNA微阵列是常用的研究目标的DNA图案被个人TFs(艾耶et al。,2001)。信号分子可以影响激活通过TFs共价结合或修改他们的功能域。甚至可能特遣部队应对物理信号,如红色或远红光,但信号必须被转导与TF交互的化学改性催化剂。

DNA表达真核生物的复杂性和细分级结果的组合,染色质和TF信号的组合,而不是个人TF信号,读取出来。因此,转录控制依赖于所有TFs的交互以及他们是否吸引启动转录的RNA聚合酶或阻止它。多个TFs可以积累,创造一个批量的大小核糖体。一旦绑定在一起,变化的功能域特遣部队和/或共价相互作用与其他因素可以打开或关闭转录,这取决于他们是否允许或禁止招聘RNA聚合酶。

一个典型的增强剂可达到500个碱基对长度和包含多个绑定网站至少两个或三个不同的TFs (Levine & Tijan, 2003)。两个TFs绑定在站点附近另一个DNA链可以结合形成二聚体和弯曲的DNA被认为是激活过程的一部分。染色质结构允许活化剂将彼此联系起来,即使他们注定要DNA序列的碱基对。一些TFs被认为作为拘束元素在遥远的增强剂和促进剂之间形成连接与其他蛋白质。

转录因子家族的进化

三列的图显示了四个真核生物dna结合主题,与dna结合的主题的名称在遥远的左栏,其次是中间结构图列,和描述函数的最右列。中间列显示每个分子的示意图表示顶部和一个带图的底部与双重螺旋DNA分子。每个主题的基本二级结构元素的颜色。

图2

all of the simple diagrams, the helices are depicted as cylinders, and the other surrounding regions are depicted as thinner blue lines. The ribbon diagrams show the helices as coiled ribbons and the intervening regions as thin blue lines that resemble string. DNA is depicted as a grey double helix. The basic helix-loop-helix binding motif is characterized by two helices linked by a loop region. It forms a dimer when it associates with DNA. The first helix has basic residues and is shown in green. It is threaded through a double helical DNA molecule. The loop region is represented by an uncoiled blue structure that looks like a piece of string. The second helix, shown in pink, extends upwards from the blue loop and is arranged vertically above the DNA molecule where it interacts with the second basic helix-loop-helix of its dimer pair. In multicellular organisms, basic helix-loop-helix motifs regulate muscle, nerve, blood, and pancreatic cell development. In yeast, they regulate metabolic pathways involved in nutrient uptake and lipid biosynthesis. The helix-turn-helix binding motif is characterized by a DNA-binding helix, which is shown in green, threaded through a double helical DNA molecule. The turn region, which looks like a loose blue thread, connects the first helix to a second helix called the dimer-binding helix (shown in pink). The dimer-binding helix is about half as long as the DNA-binding helix, and is responsible for dimerization. Helix-turn-helix motifs regulate gene suppression during cell differentiation. The zinc finger binding motif is characterized by a finger region, represented here as a green helix with three coils, bound to a double-stranded DNA molecule. Several orange spheres bound to helices attached to the finger domain represent Zinc ions. Zinc finger motifs play key roles in chromatin remodeling and DNA structure. They also bind proteins and lipids.The leucine zipper motif is characterized by two helices connected to each other by a short stretch of amino acids. The first helix binds the DNA and is shown here as a green ribbon threaded through a double helical DNA molecule. The amino acids that connect the first helix to the second helix are shown as a short blue string that crosses over the same region of the second leucine zipper motif of the dimer. The second helix, which is shown in pink, protrudes upwards from the DNA molecule where it interacts with the same region of a second leucine zipper motif. The two pink helices are aligned vertically and in parallel to one another and represent the zipper. Each of these helices contains regularly spaced leucine residues, which are shown here as purple spheres. The leucines are hydrophobic and allow dimerization. Leucine zippers function in cell division and regulate protein interactions.")" class="inlineLinks">细节图

更高的生物有大量不同的TF家庭定义的序列的dna结合域。进化的研究表明,尽管是高度保守的dna图案在植物和动物中,这些生物体的蛋白质序列的其余部分往往是非常不同的。此外,一个特定的TF家族在植物比动物可能会有不同的角色,和一些新的TFs每个王国,因为他们已经进化散度。

在很多动物,包括人类,一个杰出的基因参与细胞发展的集团,包括许多编码TFs,包含180个碱基对的序列称为同源框。同源框编码60-amino酸蛋白段称为homeodomain启动子的识别和结合靶基因的DNA。完全控制转录,有时绑定,取决于TFs之间的相互作用,所以激活经常取决于另一个特遣部队的存在。类似的系统中发现的基因识别植物,在dna结合域称为马德斯盒子。

TFs往往有某些特定的dna图案,一个常见的基本helix-loop-helix(bHLH)结构,识别特定序列的DNA和DNA像火车上坐汽车。这样的一个例子是特遣部队MyoD(成肌细胞测定)。的表达MyoD基因导致MyoD蛋白质的生产,muscle-determining基因的启动子结合,导致肌肉前体细胞的分化(肌母细胞)肌肉纤维。MyoD也结合自己的启动子,从而维护自己的肌肉细胞分化和水平后代。

除了bHLH之外,还有其他一些常见的结构主题识别和绑定的DNA,这些发现在大多数调控蛋白。这些都是helix-turn-helix、锌指亮氨酸拉链(图2)。NFATC1例子称为β-barrel如图1所示。蛋白质在每一个主题是有效的,因为他们都符合或大或小的DNA链的沟槽,也因为他们公开特定的氨基酸在适当的地方形成的氢键核苷酸基地。分子遗传技术可以用来改变任何氨基酸来测试这个是否会影响亲和力特遣部队的目标。

复杂性和转录因子

复杂的转录控制可以通过比较的数量和位置独联体阀门元素更高和更低的真核生物。例如,果蝇通常有几个单基因的增强子2到3个碱基,分散在一个大型(10千碱基)地区的DNA,同时,如前所述,酵母没有增强剂,而是使用一个无人机序列每个基因,位于上游。远程管理被认为是表明需要更高层次的控制基因参与细胞的发育和分化。

酵母基因组编码约300 TFs,或者每20个基因,而人类表达约3000 TFs,或者每10基因。组合控制,增加了二倍TFs实际上每个基因转化为更多的可能的组合的交互,允许大幅增加的生物多样性。当我们考虑额外的复杂性染色质重塑,监管信使核糖核酸稳定平移控制,更容易了解高等生物的细胞可以产生这样一个巨大的各种各样的遗传反应环境信号。

结论

高等生物的细胞表现出令人难以置信的数量的基因对他们的反应环境。这主要是由于TFs控制基因转录和方式的RNA聚合酶II是招募。通过这些机制,TFs控制有机发展的重要方面。此外,通过结合染色质,TF信号可以发挥更好的水平的控制DNA通过允许表达式的层次。TF家族进一步增加真核生物的遗传复杂性水平,和许多TFs在同一个家庭经常共同影响单个基因的转录。鉴于TFs的功能,以及其他真核的机制基因调控,这是不足为奇的复杂有机体能够做这么多有这么几个基因。这些过程,单独的基因数量多,复杂的和简单的有机体互相从遗传的角度来看。