Гены и необходимость регуляции
Качественный и количественный состав синтезируемых белков постоянно меняется в зависимости от типа ткани и стадии развития организма. В любой момент времени большая часть генома неактивна. По степени активности гены делят на две группы:
- Конститутивные гены (гены «домашнего хозяйства», housekeeping genes). Работают постоянно во всех клетках, обеспечивая их базовую жизнедеятельность. Они отвечают за синтез гистонов, белков рибосом, тубулинов, а также тРНК и рРНК.
- Индуцибельные гены (гены «роскоши», luxury genes). Активируются только в определенных тканях или под воздействием внешней/внутренней среды. Именно они обеспечивают тканеспецифичность.
Управляют этой активностью особые регуляторные белки, которые кодируются генами-регуляторами.
Классификация факторов транскрипции
Факторы транскрипции делятся на две большие группы в зависимости от того, насколько универсально их действие.
1. Общие факторы транскрипции Они требуются для работы абсолютно всех генов в любой клетке. Их главная задача — распознать промотор (чаще всего его участок, называемый ТАТА-боксом) и посадить на него фермент. Например, для запуска РНК-полимеразы II необходим комплекс из семи основных факторов: TFIIA, TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF, TFIIH и TFIIJ. Свои специфические наборы общих факторов есть также у РНК-полимераз I и III.
2. Специфические факторы транскрипции Эти белки обеспечивают дифференциальную экспрессию — решают, какой именно ген нужно активировать в конкретной ткани. Они связываются с особыми регуляторными последовательностями — энхансерами.
Механизм их работы выглядит так:
- Энхансеры могут располагаться на значительном расстоянии от промотора.
- Специфические белки садятся на энхансер.
- Нить ДНК изгибается, образуя пространственную петлю.
- За счет петли белки энхансера физически контактируют с РНК-полимеразой II на промоторе, запуская процесс.
Функциональные домены
Факторы транскрипции имеют сложное строение. Молекула такого белка обычно разделена на три функциональных отдела (домена):
- ДНК-связывающий домен. Напрямую контактирует с участками энхансера или промотора.
- Активаторный домен. Необходим для взаимодействия с другими белками-корегуляторами.
- Лиганд-связывающий (фосфорилирующий) домен. Воспринимает сигналы от других молекул. Например, если в роли лиганда выступает стероидный или половой гормон, он связывается с этим доменом, что приводит к активации транскрипции целого комплекса зависимых генов.
Семейства ДНК-связывающих белков
ДНК-связывающие домены распознают нужные участки за счет того, что их поверхность идеально совпадает с рельефом двойной спирали ДНК. По структурным особенностям выделяют три основных мотива:
- Цинковые пальцы (Zinc finger). Это короткая пептидная петля, форму которой поддерживает ион цинка (Zn²⁺). Он связывает два остатка цистеина с одной стороны и два остатка гистидина с другой. Спираль такого «пальца» ложится в большую бороздку ДНК, надежно связываясь с ней на протяжении нескольких витков. Это меняет конформацию ДНК и открывает доступ ферментам. Мотив крайне важен для эмбрионального развития.
- Лейциновые молнии (Leucine zipper). Представляют собой димер, в α-спиралях которого аминокислота лейцин повторяется строго через каждые 7 позиций. Взаимодействуют с примыкающими большими бороздками ДНК.
- Спираль-петля-спираль (Helix-loop-helix). Две спиральные области белка разделены неспиральной петлей, что обеспечивает их димеризацию. Рядом с этим мотивом находится участок из положительно заряженных (основных) аминокислот. При образовании димера они притягиваются к отрицательно заряженной ДНК и запускают транскрипцию.
Гомеозисные гены
Гомеозисные гены — это гены, кодирующие важнейшие факторы транскрипции, которые выступают ключевыми регуляторами эмбрионального развития. Они контролируют всю программу формирования органов и тканей.
Эти участки поразительно консервативны и обнаруживаются у всех животных: от мушки дрозофилы до человека. Мутации в них приводят к катастрофическим нарушениям анатомии. Например, у человека они могут вызвать недоразвитие зубов, а у дрозофилы — формирование ног на месте усиков или появление дополнительных сегментов тела с крыльями.
Чтобы запомнить три домена фактора транскрипции, используйте аббревиатуру ДАЛ: ДНК-связывающий (цепляется за ген), Активаторный (собирает команду помощников), Лиганд-связывающий (ловит химический сигнал, например гормон).
Вопросы с занятий и экзамена
Чем конститутивные гены отличаются от индуцибельных?
Конститутивные гены обеспечивают базовые функции и работают постоянно во всех клетках (например, гены рибосомных белков). Индуцибельные гены активны только в специализированных тканях или включаются в ответ на определенные сигналы.
Как энхансер может влиять на промотор, если они находятся далеко друг от друга?
Когда специфические факторы транскрипции связываются с энхансером, нить ДНК изгибается в виде петли. Благодаря этому пространственному сближению белки на энхансере могут физически взаимодействовать с РНК-полимеразой на промоторе.
Что такое «цинковый палец»?
Это структурный мотив ДНК-связывающего белка. Он представляет собой пептидную петлю, скрепленную ионом цинка, которая ложится в большую бороздку спирали ДНК и изменяет ее конформацию для старта транскрипции.
Что ещё разобрать по теме
- Особенности работы РНК-полимераз I и III и их общих факторов
- Механизмы посттрансляционной модификации готовых белков
- Роль гомеозисных генов в эмбриогенезе человека
- Гормональная регуляция экспрессии генов через лиганд-связывающие домены
Разберите тему целиком в курсе «Биология»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Факторы транскрипции» и ещё 3 793 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 124 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Молекулярная генетика»
Бесплатные видеоуроки: биологияКороткие уроки с конспектами — без регистрации.
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.