Регуляція транскрипції — зміна інтенсивності синтезу мРНК, яку забезпечують спеціальні білки, характерні для конкретного , що можуть активуватися зовнішніми подразниками і дозволяють клітинам регулювати експресію генів. Регуляція транскрипції є фундаментальним біологічним процесом, який дає змогу клітині чи організму реагувати на внутрішні та позаклітинні сигнали, регулює проліферацію та диференціацію клітин під час розвитку, підтримує цей стан впродовж їхнього життя та координує внутрішньоклітинні процеси.
Загальні принципи Головними компонентами, взаємодія яких зумовлює активацію чи репресію транскрипції, є цис- і транс-елементи. — це регуляторні послідовності ДНК, розташовані на тій самій молекулі, що й регульований ген. У прокаріотів вони часто називаються операторами і перебувають у безпосередній близькості до промоторів. — це зазвичай білкові фактори транскрипції, які вільно дифундують у просторі клітини, специфічно зв'язуючись зі своїми цис-елементами. Якщо зв'язування транс-елемента з цис-елементом викликає активацію транскрипції (часто за рахунок прямих білок-білкових взаємодій транскрипційного фактора з РНК-полімеразою, що підвищує її спорідненість до промотора) такий фактор називають активатором і він здійснює позитивну регуляцію. Якщо фактор блокує зв'язування РНК-полімерази (часто за рахунок зниження доступності промотора), його називають репресором і йдеться про негативну регуляцію.
В еукаріотів До регуляції транскрипції залучені численні молекули та молекулярні фактори, зокрема фактори транскрипції, кофактори ( та ), регулятори хроматину, некодуючі РНК (нкРНК) та інші епігенетичні регулятори.
У дріжджів
Дріжджі — це одноклітинні гриби, які зазвичай використовують глюкозу як основне джерело енергії. Якшо бажані цукри (зокрема глюкоза) недоступні, для метаболізму інших вуглеводів мають бути транскрибовані та трансльовані відповідні ферменти. Коли дріжджі культивуються в середовищі, що містить виключно галактозу, спостерігається більше ніж 1000-кратне збільшення мРНК п'яти ферментів, необхідних для її метаболізму. Наприклад, перша реакція метаболізму галактози каталізується галактокіназою (Gal1), яка фосфорилює галактозу з утворенням галактозо-1-фосфату.
За відсутності галактози витрата ресурсів клітини на синтез цих ферментів є неефективною, тому їхня транскрипція пригнічується білком-репресором Gal80. Для активації транскрипції у присутності галактози необхідний білок , який зв'язується з послідовностями , розташованими вище за течією від ТАТА-боксу генів метаболізму галактози.
За відсутності галактози білок Gal80 зв'язується з активаційним доменом Gal4 і блокує його роботу. У присутності галактози вона взаємодіє з регуляторним білком Gal3, який після цього зв'язує репресор Gal80. Це знімає блокування з активаційного домену Gal4. Звільнений активаційний домен Gal4 залучає медіатор — мультибілковий коактиваторний комплекс, що взаємодіє з факторами транскрипції та РНК-полімеразою II.
Мутантні штами дріжджів із нефункціональною формою Gal4 не здатні до активації генів GAL-системи та метаболізму галактози.
У людини Транскриптом людини формується не лише завдяки активності РНК-полімерази II та зв'язуванню факторів транскрипції, але й унаслідок змін структурної конфігурації хроматину, позиціонування нуклеосом, модифікацій гістонів, метилювання ДНК та РНК-опосередкованих механізмів.
Регуляція транскрипції є основним механізмом, що визначає фенотипові відмінності клітини. Програма експресії генів у конкретному типі клітин охоплює (конститутивні гени, активні в більшості клітин) та клітиноспецифічні гени, що експресуються лише в одному або кількох типах клітин.
У прокаріотів
У бактерій регуляція транскрипції здійснюється за допомогою сигма (σ) факторів, які зв'язуються з РНК-полімеразою (РНКП) та спрямовують її до специфічних промоторів ДНК.
Методи дослідження Для вивчення регуляції транскрипції застосовують такі методи як , (EMSA), імунопреципітація хроматину (ChIP), афінна хроматографія ДНК та . Аналіз генів-репортерів у культурі клітин або на трансгенних тваринах дає змогу оцінювати рівень транскрипційної активності, її просторову локалізацію та часову динаміку in vivo. Для ідентифікації метильованих послідовностей ДНК використовують обробку геномної ДНК бісульфітом, що перетворює цитозин на урацил, з подальшим секвенуванням (BS-Seq). Кількісну ПЛР у реальному часі та ДНК-мікрочипи застосовують для вивчення рівня експресії генів. дозволяють виявляти нові транскрипти шляхом анотації транскрипційно активних ділянок, а разом із екзонними мікрочипами вони підходять для кількісної оцінки альтернативного сплайсингу. Поєднання ChIP із детекцією мішеней за допомогою мікрочипів () уможливлює ідентифікацію регуляторних елементів у глобальному масштабі. Його можна використовувати для визначення сайтів зв'язування факторів транскрипції з ДНК та хроматином in vivo, активних промоторів як показника експресії генів, для дослідження модифікацій гістонів, важливих для структури хроматину. Перше застосування ChIP-on-chip було здійснено на дріжджах, а у 2004 році було запущено проєкт ENCODE, метою якого була ідентифікація всіх функціональних регуляторних елементів у людини.
Медичне значення
Генетичні мутації, епігенетичні зміни та порушення сигнальних шляхів можуть дестабілізувати програми транскрипції генів, що сприяє виникненню та прогресуванню різноманітних захворювань людини.
Багато синдромів та генетичних і захворювань (рак, автоімунні, неврологічні хвороби, , метаболічні та серцево-судинні захворювання) можуть бути спричинені мутаціями й змінами в регуляторних послідовностях, факторах транскрипції, кофакторах, регуляторах хроматину, нкРНК та інших компонентах транскрипційного апарату. У більшості випадків мутації факторів транскрипції призводять до плейотропних ефектів.
Синдроми дефектів ексцизійної репарації нуклеотидів Серед загальних факторів транскрипції, необхідних для ініціації транскрипції РНК-полімеразою II, ключову роль у патологіях людини відіграє комплекс . Мутації в субодиницях цього мультисубодиничного білкового комплексу спостерігаються при пігментній ксеродермі — захворюванні, що характеризується гіперчутливістю до ультрафіолету, порушеннями пігментації та високим ризиком розвитку раку шкіри через дефекти . Дві субодиниці TFIIH із геліказною активністю (XP-B та XP-D) часто мають мутації саме у цієї групи пацієнтів. Проте у частини осіб із мутаціями в цих генах розвиваються неврологічні розлади, очні патології та затримка розвитку, характерні для або , іноді без притаманної пігментній ксеродермі схильності до онкозахворювань. Поєднання таких різних симптомів указує на те, що патогенез останніх двох синдромів пов'язаний не стільки з дефектами репарації ДНК, скільки з порушенням регуляції транскрипції.
Гемофілія B Лейдена Прикладом захворювання, спричиненого мутаціями в регуляторних послідовностях, є Лейдена. У дитинстві у пацієнтів зазвичай спостерігається низький рівень фактора IX у плазмі (часто <1–5 % від норми) та схильність до кровотеч. З віком (переважно після початку статевого дозрівання) рівень фактора IX поступово зростає, а клінічні прояви зменшуються. Мутації локалізовані в промоторній ділянці гена F9 і порушують зв’язування факторів транскрипції, необхідних для його експресії. Так мутація в позиції −20 (c.−49T>A) руйнує сайт зв’язування гепатоцитарного ядерного фактора 4 (). У цій же ділянці розташований сайт зв’язування андрогенного рецептора, який частково перекривається з сайтом HNF4. Якщо сайт андрогенного рецептора збережений, підвищення рівня андрогенів після пубертату сприяє відновленню транскрипції.
Гемоглобінопатії Ще одним прикладом захворювання людини, що виникає внаслідок мутацій у є (HPFH) — різновид гемоглобінопатії, за якої експресія γ-глобіну зберігається й у дорослому віці. Точкові мутації були виявлені в промоторній ділянці гена Aγ-глобіну (у позиції −175 від сайта ініціації), які порушують зв'язування репресорів транскрипції або змінюють взаємодію з факторами транскрипції (такими як GATA-1), внаслідок чого ген Aγ-глобіну не піддається віковій репресії. Сайти зв'язування GATA-1 також присутні в (регіоні контролю локусу). Це частково пояснює те, що відбувається при іспанській (γδβ) таласемії, за якої делеція великої ділянки LCR залишає у конформації хроматину, , що призводить до відсутності експресії . Мутації в TATA-боксі та CACCC-боксі також описані при β-таласеміях, де вони призводять до зниження експресії гена β-глобіну.
Схильність до аутоімунних та інфекційних хвороб Виявлено, що диференціальна експресія алелів головного комплексу гістосумісності класу II зумовлена варіабельністю їхніх промоторів. Окремі алелі генів відрізняються за силою промотора у відповідь на активність цитокінів (зокрема TNFα), що пояснює їхній зв'язок зі схильністю до аутоімунних захворювань. Рідкісний алель промотора гена TNFα — TNF2 (зчеплений із ) — зумовлює гіперпродукцію цього цитокіну. Підвищений рівень TNFα у плазмі корелює з важким перебігом малярії та лейшманіозу, а гомозиготність за алелем TNF2 суттєво підвищує смертність від церебральної малярії. Поліморфізм у промоторі гена CCR5 (кодує хемокіновий рецептор, який слугує корецептором для ВІЛ-1), відомий як алель CCR5P1, прискорює прогресування СНІДу. Інфіковані особи, гомозиготні за цим алелем промотора, демонструють значно швидший перебіг хвороби у перші роки після зараження.
Мутації в транскрипційних факторах та коактиваторах, які регулюють експресію генів ГКГС II класу, блокують транскрипцію цих генів, що призводить до відсутності експресії ГКГС II класу. Було виділено чотири специфічні фактори транскрипції, що відповідають чотирьом групам пацієнтів. У групі A мутований ген CIITA. У групах B, C і D дефектними є три субодиниці мультибілкового комплексу RFX (RFXANK, RFX5, RFXAP), які зв'язуються з промоторами ГКГС II класу. Ген RFXANK мутований у групі B, RFX5 — у групі C, RFXAP — у групі D. При дефіциті ГКГС II класу ці чотири фактори транскрипції є не лише необхідними, але й специфічними для експресії ГКГС II класу.
Мутації в аутоімунному регуляторі спричиняють .
Онкологічні захворювання
Рак часто виникає внаслідок аберантної активації онкогенів, які кодують компоненти клітинного апарату, що регулюють нормальні процеси росту. Як оверекспресія цих генів, так і мутації, які призводять до утворення більш активного білкового продукту, можуть спричинити порушення контролю проліферації клітин.
Виявлено зв'язок між варіантами послідовностей регуляторної ДНК та розвитком раку молочної залози, передміхурової залози, колоректального раку, раку нирок, легенів, й меланоми. Також відомо, що гени, які виникають унаслідок злиття з регулятором хроматину MLL при лейкеміях, порушують елонгацію транскрипції.
Утворення злитих факторів транскрипції характерне й для деяких солідних пухлин (пухлина Вільмса, за якої N-термінальний домен білка EWS зливається з ДНК-зв'язувальним доменом білка WT1). Важелями онкогенезу є мутаційна інактивація або делеція генів-супресорів пухлин, які кодують фактори транскрипції (p53, WT1, Rb). Мутації зародкової лінії в цих генах спричиняють спадкові онкологічні синдроми (наприклад, ), тоді як соматичні мутації відповідають за широкий спектр спорадичних карцином, сарком та лейкемій.
Порушення розвитку та диференціації Мутації у факторах транскрипції, що містять POU-домен, ілюструють зв'язок між регуляцією транскрипції та органогенезом. Мутації в гені Pit-1 (POU1F1) — факторі транскрипції, необхідному для проліферації та диференціювання клітин передньої частки гіпофіза, що продукують гормон росту, пролактин та тиреотропний гормон, можуть викликати ендокринні порушення. Мутації в POU1F1 призводять до комбінованого дефіциту гормонів гіпофіза та затримки розвитку. Мутована форма білка Pit-1 здатна зв'язуватися зі своїм сайтом ДНК і блокувати функцію нормального білка.