Interested Article - Промотор

seraphina
  • 2021-08-18
  • 2

Ссылка на описание
Инициация транскрипции . На схеме проиллюстрировано образование комплекса РНК-полимераза — ДНК. Вначале, происходит "посадка" РНК-полимеразы на специфический участок молекулы ДНК, промотор , при этом нативная (двухцепочечная) структура ДНК не изменяется (на рисунке этот этап обозначен как «закрытый комплекс»). Далее, двухцепочечная молекула ДНК недалеко от промотора начинает расплетаться, образуя открытый комплекс. Кроме РНК-полимеразы в процессе инициации транскрипции принимает участие большое количество белков (на рисунке не показаны).

Промо́тор ( англ. promoter ) — последовательность нуклеотидов ДНК , узнаваемая РНК-полимеразой как стартовая площадка для начала транскрипции . Промотор играет одну из ключевых ролей в процессе инициации транскрипции .

Общие сведения

Обычно промотор расположен вокруг точки старта транскрипции – первого нуклеотида, с которого получается транскрипт, имеющий координату +1 (предыдущий нуклеотид обозначается как -1). Промотор обычно включает ряд мотивов , важных для узнавания его РНК-полимеразой. В частности, -10 и -35 элементы у бактерий , ТАТА-бокс у эукариот .

Промотор асимметричен, что позволяет РНК-полимеразе начать транскрипцию в правильном направлении и указывает на то, какая из двух цепей ДНК будет служить матрицей для синтеза РНК . Матричная цепь ДНК называется некодирующей, при этом другая, кодирующая цепь совпадает с полученной РНК по последовательности (исключая замену тимина на урацил ) .

То, под каким промотором находится кодирующий РНК участок ДНК, играет решающую роль в интенсивности экспрессии этого гена в каждом конкретном типе клеток. По активности промоторы делят на конститутивные (постоянный уровень транскрипции) и индуцибельные (транскрипция зависит от условий в клетке, например от присутствия определённых веществ или наличия теплового шока). Активация промотора определяется присутствием набора транскрипционных факторов .

Устройство промоторов

У бактерий

Коровая РНК-полимераза бактерий (состоящая из субъединиц α2ββ'ω) может инициировать транскрипцию в любом месте генома. Однако, в клетке инициация происходит только в промоторных участках. Такая специфичность обеспечивается σ-субъединицей ( σ-фактор ), которая в комплексе с коровым ферментом образует холофермент . Основным σ-фактором клеток Escherichia coli является σ 70 -субъединица .

Классический (σ 70 ) промотор представляет собой две консервативные последовательности длиной по 6 нуклеотидов, расположенные выше сайта начала транскрипции на 10 и 35 п.о., разделённые 17 нуклеотидами. Эти последовательности называются соответственно -10 и -35 элементами . Элементы не идентичны во всех промоторах, но для них можно получить консенсусные последовательности .

Некоторые сильные промоторы также имеют UP-элемент , расположенный выше -35-элемента, который повышает уровень связывания РНК-полимеразы. Некоторые σ 70 промоторы не имеют -35-элемента, зато имеют -10-элемент, расширенный вверх на несколько нуклеотидов ( extended -10 ). Таков промотор галактозного оперона E.coli . Иногда ниже -10-элемента располагается ещё один связывающий элемент – дискриминатор .

Альтернативные σ-субъединицы РНК-полимеразы меняют специфичность узнавания промоторов. Например, σ 32 -субъединица вызывает узнавание промоторов генов ответа на тепловой шок, σ 54 связана с генами метаболизма азота .

У эукариот

Клетки эукариот содержат несколько типов РНК-полимераз. Транскрипцией мРНК занимается РНК-полимераза II вместе с набором белковых факторов транскрипции .

Коровый промотор эукариот – это минимальный набор элементов последовательности, необходимый для связывания РНК-полимеразы II и транскрипционных факторов, вовлечённых в процесс старта инициации транскрипции. Обычно длина корового промотора составляет 40-60 п.о., а располагаться он может или выше, или ниже точки старта транскрипции. Полный набор элементов корового промотора включает в себя BRE-элемент , ТАТА-бокс , Inr (инициатор) и/или нижележащие элементы (DPE, DCE и MTE). Обычно, в промоторе находится комбинация из этих элементов. Например, в одном промоторе обычно не встречаются DPE и TATA-бокс одновременно. Часто встречается комбинация TATA-бокса, DPE и Inr .

Элемент промотора Связываемый белок Координаты Консенсусная последовательность
BRE-элемент TFIIB -37 -32 [GC][GC][GA]CGCCC
ТАТА-бокс TBP -31 -26 TATA[AT]A[AT]
Inr TFIID -2 +4 [CT][CT]AN[TA][CT][CT]
DCE I TFIID +6 +11 CTTC
DCE II TFIID +16 +21 CTGT
MTE +21 +28
DPE TFIID +28 +32 [AG]G[AT]CGTG
DCE III TFIID +30 +34 AGC

Также для протекания транскрипции эукариот необходимо взаимодействие с регуляторными последовательностями, расположенными от точки старта транскрипции, – проксимальными последовательностями, энхансерами , сайленсерами , инсуляторами, пограничными элементами .

В эукариотических клетках кроме РНК-полимеразы II есть еще две РНК-полимеразы, транскрибирующие рРНК (за это ответственна РНК-полимераза I ) и такие некодирующие РНК как тРНК и 5sРНК (их транскрибируют РНК-полимераза III ) .

РНК-полимераза I в клетках эукариот транскрибирует единственный ген-предшественник рРНК , присутствующий в геноме во многих копиях. Промотор гена рРНК содержит коровые элементы (координаты около -45 +20) и UCE ( upstream control element , координаты около -150 -100). Инициация транскрипции этого гена также требует несколько факторов транскрипции – TBP, SL1 (состоит из белков TBP и трех TAF) и UBF. UBF связывает UCE-элемент, SF1 – коровый промотор. Связанный UBF стимулирует связывание полимеразы с участком корового промотора .

РНК-полимераза III транскрибирует гены некоторых некодирующих РНК клетки ( тРНК , 5sРНК). Промоторы РНК-полимеразы III очень разнообразны и обычно лежат ниже точки старта транскрипции. Промоторы генов тРНК, в частности, содержат A- и B-боксы, для инициации требуются факторы транскрипции TFIIIB и TFIIIC. Другие промоторы могут содержать A- и C-боксы (например 5sРНК), для инициации требуются факторы транскрипции TFIIIA, TFIIIB, TFIIIC. Группа промоторов РНК-полимеразы III содержит ТАТА-боксы .

Регуляция промоторов

Регуляция уровня транскрипции часто происходит на стадии инициации, то есть от связывания РНК-полимеразы с промотором до начала элонгации .

  • Связывание РНК-полимеразы с промотором может блокироваться белком-репрессором, физически закрывающим промотор или его участок;
  • Полимераза может нуждаться в дополнительном белке-активаторе для успешного связывания;
  • Участок хроматина с промотором может быть недоступен для белков, в том числе полимеразы, при компактной упаковке, например, гетерохроматин у эукариот.

Промоторный участок в пределах оперона у бактерий может частично перекрываться или вовсе не перекрываться с операторным участком цистрона ( гена ). У бактерий связывание с промотором определяется структурной частью полимеразы – σ-субъединицей. Также часто в регуляции участвуют белки-регуляторы, которые могут ускорять процесс и повышать его эффективность (активаторы), либо замедлять (репрессоры) .

Транскрипция эукариот регулируется схожим с бактериями образом (за счет различных белков-регуляторов), но также имеет отличия. Гены эукариот не образуют оперонов, каждый ген обладает своим промотором. Эукариоты обладают хроматином, состоящим из ДНК и нуклеосом. И ДНК, и нуклеосомы могут подвергаться химической модификации, которая влияет на уровень транскрипции. Также, в регуляции промоторов у эукариот участвуют другие участки ДНК, такие как энхансеры, сайленсеры, инсуляторы, граничные элементы .

Примеры промоторов

Схема работы лактозного оперона у прокариот. 1: РНК-полимераза, 2: репрессор, 3: промотор, 4: оператор, 5: лактоза, 6: ген lacZ , 7: ген lacY , 8: ген lacA .
Верхняя картинка : lacZ , lacY , lacA не экспрессируются . В отсутствии лактозы репрессор свободно связывается с последовательностью выше промотора – оператором. Таким образом, связанный с оператором репрессор физически блокирует прохождение процесса транскрипции. Другими словами, РНК-полимераза не может связаться с промотором.
Нижняя картинка : lacZ , lacY , lacA экспрессируются. Лактоза связывается с репрессором, тем самым, позволяя РНК-полимеразе связаться с промотором и инициировать транскрипцию.

Последовательности и особенности регуляции многих промоторов из разных живых организмов сейчас хорошо изучены. Эти знания широко применяются при создании биоинженерных генетических конструкций ( плазмид , векторов ). Для экспрессии продукта в клетках бактерий или эукариот может быть использован как промотор, характерный для этой группы организмов, найденный в геноме, так и промотор, например, из вирусов, которые заражают данный организм .

Классическими примерами бактериальных оперонов с известной регуляцией промоторов прокариот являются: лактозный промотор , триптофановый промотор , арабинозный промотор , ГАМК-оперон , галактозный оперон . Хорошо изученными промоторами эукариотических клеток являются GAL1 промотор у дрожжей, индуцибельный тетрациклиновый промотор TRE и индуцибельный эдкизоновый промотор. В вирусном геноме так же как и в про- и эукариотическом есть промоторы, например промотор фага T5, промотор фага T7, конститутивные промоторы вирусов SV40 (вирус полиомы), RSV, CMV (цитомегаловирус) .

Предсказание промоторного региона

Зачастую алгоритмы предсказания промоторов выдают большое количество ложноположительных результатов (предсказывают последовательности промоторов, которые таковыми не являются). Например, в среднем, различные алгоритмы предсказывают один промотор на 1000 п.о., в то время как человеческий геном содержит примерно один ген на 30000—40000 п. о. Такой результат связан с тем, что при предсказании промоторов необходимо учитывать множество факторов :

  • Разнообразное устройство промоторов;
  • Связывание промоторов с регуляторными элементами (проксимальные элементы, энхансеры, сайленсеры) генома;
  • Влияние CpG-островов у эукариот (неметилированные CpG-острова зачастую располагаются немного выше сайта старта транскрипции у эукариот);
  • Влияние инсуляторов и граничных условий (границы доменов хромосом);
  • Укладка ДНК и расположение нуклеосом в пространстве.

Несмотря на сложности описанные выше, существует множество алгоритмов предсказания промоторных регионов в различных организмах. В таблице ниже приведены некоторые из них.

Название алгоритма Принцип работы алгоритма Что предсказывает алгоритм
TSSW Алгоритм предсказывает потенциальные сайты начала транскрипции с помощью линейной дискриминантной функции, объединяющей характеристики, описывающие функциональные мотивы и олигонуклеотидный состав этих сайтов. TSSW использует базу данных функциональных сайтов TRANSFAC (автор базы данных — E. Wingender , отсюда последняя буква в названии метода TSSW). PolII промоторный регион человека.
TSSG /Fprom Алгоритм TSSG работает так же, как и TSSW, однако использует другую базу данных, TFD . Fprom — тот же TSSG, натренированный на другом наборе последовательностей промоторов. TSSG — PolII промоторный регион человека, Fprom — промоторный регион человека.
TSSP Алгоритм работает так же, как и TSSW, использует базу данных регуляторных элементов растений RegSite . При этом алгоритм натренирован на последовательностях промоторных регионов растений. Промоторный регион растений.
PePPER Алгоритм предсказывает промоторный регион основываясь на курируемых позиционной весовой матрице и скрытой марковской модели для -35 и -10 консенсусных последовательностей, а также различных сайтов связывания Bacillus subtilis и Escherichia coli (взяты как представители грамположительных и грамотрицательных бактерий соответственно). Промоторный регион прокариот (подходит в основном для бактериальных геномов).
PromoterInspector Эвристический алгоритм основывается на геномном окружении промоторной области выборки последовательностей млекопитающих. PolII промоторный регион млекопитающих.
BPROM Алгоритм работает так же, как и TSSW, использует базу данных функциональных сайтов DPInteract . σ 70 промоторный регион E.coli .
NNPP 2.2 Программа представляет собой нейронную сеть с запаздыванием, которая состоит из двух функциональных слоев, один — для распознавания TATA-бокса и один — для распознавания Inr-элемента. Промоторный регион эукариот и прокариот.
G4PromFinder Алгоритм идентифицирует предполагаемые промоторы на основе AT-богатых элементов и G-квадруплексных ДНК-мотивов в GC-богатом регионе. Промоторный регион бактерий.

С ростом количества предсказанных, экспериментально показанных промоторных регионов различных организмов возникла необходимость создания базы данных промоторных последовательностей. Крупнейшей базой данных эукариотических последовательностей промоторов (в основном позвоночные организмы) является Eukaryotic Promoter Database . База данных подразделяется на две части. Первая (EPD) — это курируемая коллекция последовательностей промоторов, полученная при помощи обработки экспериментальных данных, вторая (EPDnew) — результат слияния информации о промоторах из базы данных EPD с анализом данных методов высокопроизводительного секвенирования. При помощи высокопроизводительных методов получения транскриптомов, удалось получить набор промоторов для некоторых представителей растений и грибов: Arabidopsis thaliana (Резуховидка Таля), Zea mays (Кукуруза сахарная), Saccharomyces cerevisiae , Schizosaccharomyces pombe .

Примечания

  1. ↑ Watson J. D., Baker T. A., Bell S. P., Gann A. A., Levine M., Losick R. M. Molecular Biology of the Gene (англ.) . — 7th. — Pearson, 2014.
  2. ↑ Pedersen Anders Gorm , Baldi Pierre , Chauvin Yves , Brunak Søren. (англ.) // Computers & Chemistry. — 1999. — June ( vol. 23 , no. 3-4 ). — P. 191—207 . — ISSN . — doi : . [ ]
  3. ↑ Solovyev Victor V. , Shahmuradov Ilham A. , Salamov Asaf A. (англ.) // Methods in Molecular Biology. — 2010. — P. 57—83 . — ISBN 9781607618539 . — ISSN . — doi : . [ ]
  4. Wingender E. (англ.) // Nucleic Acids Research. — 1996. — 1 January ( vol. 24 , no. 1 ). — P. 238—241 . — ISSN . — doi : . [ ]
  5. Ghosh David. (англ.) // Nucleic Acids Research. — 1990. — Vol. 18 , no. 7 . — P. 1749—1756 . — ISSN . — doi : . [ ]
  6. . SoftBerry . Дата обращения: 7 апреля 2019. 22 октября 2019 года.
  7. de Jong Anne , Pietersma Hilco , Cordes Martijn , Kuipers Oscar P , Kok Jan. (англ.) // BMC Genomics. — 2012. — Vol. 13 , no. 1 . — P. 299 . — ISSN . — doi : . [ ]
  8. Scherf Matthias , Klingenhoff Andreas , Werner Thomas. (англ.) // Journal of Molecular Biology. — 2000. — March ( vol. 297 , no. 3 ). — P. 599—606 . — ISSN . — doi : . [ ]
  9. Robison Keith , McGuire Abigail Manson , Church George M. (англ.) // Journal of Molecular Biology. — 1998. — November ( vol. 284 , no. 2 ). — P. 241—254 . — ISSN . — doi : . [ ]
  10. Burden S. , Lin Y.-X. , Zhang R. (англ.) // Bioinformatics. — 2004. — 28 September ( vol. 21 , no. 5 ). — P. 601—607 . — ISSN . — doi : . [ ]
  11. Di Salvo Marco , Pinatel Eva , Talà Adelfia , Fondi Marco , Peano Clelia , Alifano Pietro. (англ.) // BMC Bioinformatics. — 2018. — 6 February ( vol. 19 , no. 1 ). — ISSN . — doi : . [ ]
  12. Cavin Perier R. (англ.) // Nucleic Acids Research. — 1998. — 1 January ( vol. 26 , no. 1 ). — P. 353—357 . — ISSN . — doi : . [ ]
  13. Dreos René , Ambrosini Giovanna , Groux Romain , Cavin Périer Rouaïda , Bucher Philipp. (англ.) // Nucleic Acids Research. — 2016. — 28 November ( vol. 45 , no. D1 ). — P. D51—D55 . — ISSN . — doi : . [ ]
Источник —

seraphina
  • 2021-08-18
  • 2
  • Tags:

Same as Промотор

The title for the last searches