Rstykt

Факторы транскрипции (транскрипционные факторы) — белки́, контролирующие процесс синтеза мРНК на матрице ДНК (транскрипцию) путём связывания со специфичными участками ДНК^[1][2]. Транскрипционные факторы выполняют свою функцию либо самостоятельно, либо в комплексе с другими белками. Они обеспечивают снижение (репрессоры) или повышение (активаторы) константы связывания РНК-полимеразы с регуляторными последовательностями регулируемого гена^[3][4][5].

Определяющая черта факторов транскрипции — наличие в их составе одного или более ДНК-связывающих доменов, которые взаимодействуют с характерными участками ДНК, расположенными в регуляторных областях генов. Другие белки, играющие ключевую роль в регуляции экспрессии генов, такие как коактиваторы, гистонацетилазы, киназы, метилазы, не имеют ДНК-связывающих доменов, и, следовательно, не могут быть причислены к транскрипционным факторам^[6][7][8].

Структура комплекса TATA-связывающего белка/транскрипционного фактора TF(II)B из археи Pyrococcus woesei с ДНК по результатам рентгеноструктурного анализа. Сверху — схематичное изображение третичной структуры, снизу — молекулярной поверхности комплекса

Консервативность у различных организмов |

Факторы транскрипции необходимы для регуляции экспрессии генов и обнаружены у всех живых организмов. Их количество, как абсолютное, так и удельное, возрастает с ростом размера генома^[9].

В геноме человека обнаружено более 2600 белков, имеющих ДНК-связывающий домен, и большинство из них предположительно являются факторами транскрипции^[10]. Следовательно, около 10 % всех генов в геноме кодируют транскрипционные факторы. Таким образом, они являются самым большим семейством белков человека^[11]. Более того, активность многих генов регулируется корпоративным взаимодействием большого числа различных факторов транскрипции, что позволяет обеспечить каждому из генов уникальный способ регуляции в процессе развития организма^[8].

Функции |

Факторы транскрипции — одна из групп белков, обеспечивающих прочтение и интерпретацию генетической информации. Они связывают ДНК и способствуют инициации программы повышения или понижения транскрипции гена. Таким образом, они жизненно необходимы для нормального функционирования организма на всех уровнях. Ниже перечислены важнейшие из процессов, в которые вовлечены факторы транскрипции.

Регуляция базальной экспрессии генов |

Фоновая транскрипционная активность обеспечивается набором ТФ, общим для всех генов. Важный класс эукариотических факторов транскрипции — GTFs (general transcription factors).^[12][13] Многие из его представителей не связывают ДНК непосредственно, а входят в состав комплекса инициации транскрипции (преинициирующего комплекса), который напрямую взаимодействует с РНК-полимеразой. Наиболее распространенными GTF являются TFIIA, TFIIB, TFIID (связываются с т. н. ТАТА-боксом (элементом промотора)), TFIIE, TFIIF, и TFIIH.^[14]

Помимо ТФ, необходимых для экспрессии всех генов, существуют также специфичные факторы транскрипции, обеспечивающие включение/выключение определенных генов в нужный момент.

Регуляция онтогенеза |

Многие ТФ многоклеточных организмов вовлечены в обеспечение их развития.^[15] Действуя в соответствии с генетической программой и/или в ответ на внешние воздействия, они инициируют или подавляют транскрипцию определенных генов, что влечет за собой изменения в клеточной морфологии, клеточную дифференциацию, морфогенез, органогенез и т. д. Например, семейство гомеобоксных ТФ критично для формирования правильной морфологии тела у организмов от дрозофилы до человека.^[16][17]Мутации генов этих белков (гомеозисные мутации) у дрозофил приводят к серьёзным нарушениям в дифференцировке сегментов тела данных насекомых (например, развитие ног вместо усиков).

Другой пример данной группы ТФ — продукт гена полопределяющего региона Y (SRY, Sex-determining Region Y), который играет важную роль в детерминации пола человека.^[18]

Ответ на внеклеточные сигналы |

Согласованная регуляция взаимодействия клеток многоклеточного организма осуществляется путём высвобождения специальных молекул (гормонов, цитокинов и т. п.), которые вызывают сигнальный каскад в клетках-мишенях. В случае, если сигнал вызывает изменение уровня экспрессии определенных генов, конечным звеном каскада часто оказываются ТФ.^[19]Эстрогеновый сигнальный путь — пример короткого каскада, включающего транскрипционный фактор рецептора эстрогена: эстроген секретируется тканями плаценты и яичника, преодолевает плазматическую мембрану реципиентных клеток, и связывается со своим рецептором в цитоплазме. Рецептор эстрогена проникает в ядро и связывает специфичный участок ДНК, изменяя регуляции транскрипции соответствующего гена.^[20]

Ответ на изменение окружающей среды |

ТФ — не единственные конечные звенья сигнальных каскадов, возникающих в ответ на различные внешние стимулы, но они тоже могут быть эффекторами в сигнальных каскадах, индуцируемых воздействием окружающей среды. Например, фактор теплового шока (HSF) активирует гены белков теплового шока, которые обеспечивают выживание при повышении температуры (например, шапероны)^[21], фактор, индуцируемый гипоксией (HIF) — при снижении концентрации кислорода^[22]; белок SREBP (sterol regulatory element binding protein) помогает поддерживать необходимое содержание липидов в клетках.^[23]

Контроль клеточного цикла |

Многие ТФ, особенно онкогены и онкосупрессоры, участвуют в регуляции клеточного цикла. Они определяют переход от одной фазы клеточного цикла к другой, частоту делений и интенсивность роста. Один из наиболее известных подобных ТФ — онкоген Myc, играющий важную роль в росте клеток и направлении их в апоптоз.

Регуляция |

Все общебиологические процессы имеют многоуровневую регуляцию и контроль. Это верно и для ТФ — ТФ не только обеспечивают регуляцию уровня накопления белков и РНК в клетке, но и регулируют активность собственных генов (часто с помощью других ТФ). Ниже кратко описаны основные способы регуляции активности ТФ.

Общие для всех белков |

Уровень накопления ТФ в клетке регулируется по той же схеме, что и у других белков за счет контроля транскрипции, деградации мРНК, трансляции, постпроцессинга белка, его внутриклеточной локализации и деградации. Возможна саморегуляция по принципу отрицательной обратной связи — ТФ репрессирует активность кодирующего его гена.

Внутриядерная локализация |

У эукариотических организмов процессы транскрипции и трансляции пространственно разделены — они происходят в ядре и цитоплазме соответственно. После синтеза ТФ должны проникнуть в ядро, преодолев двойную мембрану. Многие белки, функционирующие в ядре, имеют сигнал ядерной локализации — специфичный участок полипептидной цепи, адресующий белок в ядро. Для многих ТФ транслокация является ключевым фактором в регуляции их активности.^[24] Важные классы ТФ, такие как некоторые ядерные рецепторы, должны сперва связать эндогенный лиганд-агонист в цитоплазме и только потом транспортироваться в ядро.^[24]

Активация |

ТФ могут быть активированы/деактивированны путём воздействия на их сигнал-чувствительный домен различным образом:

• связывание лиганда — необходимой для функционирования субстанции, не входящий в состав полипептида (например, ионов Zn²⁺)


• 
  фосфорилирование^[25][26] — многие ТФ должны быть фосфорилированы для получения возможности связывать ДНК.


• взаимодействие с другими ТФ и/или корегуляторными белками.

Доступность сайта связывания ДНК |

У эукариот гены, не транскрибируемые постоянно, часто находятся в гетерохроматине (участках ДНК, плотно упакованных за счет связывания гистонов и организованных в компактные хроматиновые фибриллы). ДНК в составе гетерохроматина недоступна для многих факторов транскрипции. Для того, чтобы ТФ могли связаться с ДНК, гетерохроматин должен быть трансформирован в эухроматин, обычно путём модификаций гистонов. Также для связывания ТФ с ДНК важную роль играет свобода хроматина от нуклеосом. Хроматин свободный от нуклеосом называется открытым хроматином и значительно чаще связывает факторы транскрипции, чем связанный с нуклеосомами хроматин. Перераспределение нуклеосом осуществляют факторы ремоделирования хроматина. Сайт связывания ТФ на ДНК может быть недоступным и в случае, если он связан другим фактором транскрипции. Пары факторов транскрипции могут играть антагонистическую роль (активатор — репрессор) при регуляции активности одного гена.

Наличие других кофакторов/транскрипционных факторов |

Большинство ТФ не работают в одиночку. Часто для активации транскрипции гена с его регуляторными элементами должно связаться большое количество ТФ. Связывании ТФ вызывает привлечение промежуточных белков, таких как кофакторы, что приводит к сборке преинициационного комплекса и посадке на промотор РНК-полимеразы.

Структура |

ТФ являются модульными по структуре и содержат следующие домены^[1]:

• 
  ДНК-связывающий домен (DBD) — взаимодействует со специфичными последовательностями ДНК, характерными для промоторов и энхансеров. Специфичность распознавания определенных последовательностей определяет набор генов, подверженных регуляции данным ТФ;


• 
  трансактивирующий домен (TAD) — содержит участки связывания других белков, например, транскрипционных корегуляторов^[27] ;


• 
  сигналраспознающий домен (SSD) (например, лиганд-связывающий домен), который чувствителен к внешнем сигналам и отвечающим за передачу сигнала к другим компонентам транскрипционного комплекса, что вызывает повышение или понижение уровня экспрессии.

ДНК-связывающий домен |

Структурно-функциональная единица (домен) факторов транскрипции, связывающая ДНК, называется ДНК-связывающим доменом. Ниже приведен список важнейших семейств ДНК-связывающих доменов/ТФ:

Сайты связывания ТФ |

Участки ДНК, которые взаимодействуют с факторами транскрипции, называются сайтами связывания ТФ. Взаимодействие осуществляется за счет электростатических сил, водородных связей и сил Ван-дер-Ваальса. За счет корпоративного, стерически детерминированного действия данных сил, которое определяется пространственной структурой белковой молекулы, ТФ связываться только с определенными участками ДНК. Не все нуклеотидные основания в ДНК, входящие в сайт связывания ТФ, имеют одинаковую значимость при взаимодействии с белком. Вследствие этого, ТФ обычно связывают не участок со строго определенной первичной структурой, а группу структур с близким сходством, каждую — с разной степенью сродства.
Например, хотя консенсусной последовательностью сайта связывания ТАТА-связывающих белков является ТАТАААА, они могут взаимодействовать также с ТАТАТАТ и ТАТАТАА.

Вследствие того, что ТФ взаимодействуют с короткими участками ДНК гетерогенной структуры, потенциальные сайты связывания ТФ могут возникать случайно в достаточно протяженной молекуле ДНК. Маловероятно, однако, что ТФ взаимодействуют со всеми подходящими элементами в геноме.

Различные ограничения, такие как доступность сайтов и наличие кофакторов, могут способствовать направлению ТФ в нужные участки ДНК. Таким образом, затруднительно на основании последовательности генома достоверно предсказать реальное место посадки ТФ на ДНК in vivo.
Дополнительная специфичность ТФ может опосредоваться наличием нескольких ДНК связывающих доменов в составе одного белка, которые взаимодействуют с двумя или более смежными последовательностями одновременно.

Клинические аспекты |

В связи с ключевой ролью ТФ в процессе реализации наследственной информации, некоторые заболевания человека могут быт вызваны мутациями в генах ТФ. Ниже приведены некоторые наиболее изученные нарушения подобного рода:

• 
  Rett syndrome. Мутации в гене ТФ MeCP2 ассоциированы с синдромом Ретта, нейродегенеративным (? neurodevelopmental) заболеванием^[35]
  


• 
  Диабеты. Редкая форма диабета, называемая MODY (Maturity onset diabetes of the young) может быть обусловлена мутациями в генах некоторых ТФ.^[36]
  


• 
  Developmental verbal dyspraxia. (нарушение речевых функций). Мутации в гене ТФ FOXP2 ассоциированы с развитием данного заболевания, при котором человек не может производить координированных движений, необходимых для речевой функции.^[37][38]
  


• 
  Аутоиммунные заболевания. Мутации в гене ТФ FOXP3 связаны с аутоимунным заболеванием IPEX (immune dysregulation polyendocrinopathy enteropathy X-linked syndrome).^[38]
  


• 
  Рак. Многие факторы транскрипции являются онкогенами или онкосупрессорами, и их мутации или неправильная регуляция могут приводить к развитию рака. Например, синдром Li-Fraumeni обусловлен мутациями в гене онкосупрессора p53.^[39]
  

Классификация |

ТФ могут классифицироваться по (1) механизму действия, (2) регуляторной функции, (3) структуре ДНК-связывающего домена, а также на натуральные и (5)искусственные.

Механизм действия |

По данному признаку выделяют три класса ТФ:

• 
  Главные факторы транскрипции (GTFs), вовлеченные в образование инициационного комплекса. Наиболее важные из них — TFIIA, TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF, и TFIIH. Они присутствуют во всех клетках и взаимодействуют с кором промотора генов, транскрибируемых РНК-полимеразой второго класса.


• 
  ТФ, взаимодействующие с upstream-участками ДНК, (областями, расположенными до промотора, лежащими относительно него с другой стороны от кодирующей области гена).


• 
  Индуцируемые ТФ сходны с предыдущим классом, но требуют активации либо ингибирования.

Функция |

1. 
   Конститутивные — присутствуют всегда во всех клетках — главные факторы транскрипции, Sp1, NF1, CCAAT.


2. 
   Активируемые (активны в определенных условиях)
   
   
   
   1. 
      Участвующие в развитии организма (клетко-специфичные) — экспрессия строго контролируется, но, начав экспрессироваться, не требуют дополнительной активации — GATA, HNF, PIT-1, MyoD, Myf5, Hox, Winged Helix.
   
   
   2. 
      Сигнал-зависимые — требуют внешнего сигнала для активации
      
      
      
      1. 
         внеклеточные сигнал-зависимые — ядерные рецепторы
      
      
      2. 
         внутриклеточные сигнал-зависимые — активируются низкомолекулярными внутриклеточными соединениями — SREBP, p53, одиночные ядерные рецепторы
      
      
      3. 
         мембраносвязанные рецептор-зависимые — фосфорилируются киназами сигнального каскада
         
         
         
         1. 
            резидентные ядерные факторы — находятся в ядре независимо от активации — CREB, AP-1, Mef2
         
         
         2. 
            латентные цитоплазматические факторы — в неактивном состоянии локализованы в цитоплазме, после активации транспортируются в ядро — STAT, R-SMAD, NF-kB, Notch, TUBBY, NFAT.
         
         
         
         
      
      
      
      
   
   
   
   

Структурная классификация |

ДНК-связывающий домен типа «лейциновая молния» в комплексе с ДНК. Вверху — схематичное изображение молекулярной поверхности, внизу — третичной структуры комплекса.

ДНК-связывающий домен типа «спираль-петля-спираль» в комплексе с ДНК. Вверху — схематичное изображение третичной структуры, внизу — молекулярной поверхности комплекса.

Факторы транскрипции классифицируют на основании сходства первичной структуры (что предполагает и сходство третичной структуры) ДНК-связывающих доменов.^[40][41][42]

• 1 Надкласс: Basic Domains (Basic-helix-loop-helix)
  
  
  
  • 1.1 Класс: Лейциновая молния (bZIP)
    
    
    
    • 1.1.1 Семейство: AP-1(-like) components; includes (c-Fos/c-Jun)
    
    
    • 1.1.2 Семейство: CREB
      
    
    
    • 1.1.3 Семейство: C/EBP-like factors
    
    
    • 1.1.4 Семейство: bZIP / PAR
      
    
    
    • 1.1.5 Семейство: Plant G-box binding factors
    
    
    • 1.1.6 Семейство: ZIP only
    
    
    
    
  
  
  • 1.2 Класс: Спираль-петля-спираль (bHLH)
    
    
    
    • 1.2.1 Семейство: Ubiquitous (Класс A) factors
    
    
    • 1.2.2 Семейство: Myogenic transcription factors (MyoD)
    
    
    • 1.2.3 Семейство: Achaete-Scute
    
    
    • 1.2.4 Семейство: Tal/Twist/Atonal/Hen
    
    
    
    
  
  
  • 1.3 Класс: Спираль-петля-спираль / лейциновая молния factors (bHLH-ZIP)
    
    
    
    • 1.3.1 Семейство: Ubiquitous bHLH-ZIP factors; includes USF (USF1, USF2); SREBP (SREBP)
    
    
    • 1.3.2 Семейство: Cell-cycle controlling factors; includes c-Myc
      
    
    
    
    
  
  
  • 1.4 Класс: NF-1
    
    • 1.4.1 Семейство: NF-1 (NFIC)
    
    
  
  
  • 1.5 Класс: RF-X
    
    • 1.5.1 Семейство: RF-X (NFX2, NFX3, NFX5)
    
    
  
  
  • 1.6 Класс: bHSH
  
  
  
  


• 2 Надкласс: Zinc-coordinating DNA-binding domains
  
  
  
  • 2.1 Класс: Cys4 zinc finger of nuclear receptor type
    
    
    
    • 2.1.1 Семейство: Steroid hormone receptors
      
    
    
    • 2.1.2 Семейство: Thyroid hormone receptor-like factors
    
    
    
    
  
  
  • 2.2 Класс: diverse Cys4 zinc fingers
    
    • 2.2.1 Семейство: GATA-Factors
      
    
    
  
  
  • 2.3 Класс: Cys2His2 zinc finger domain
    
    
    
    • 2.3.1 Семейство: Ubiquitous factors, includes TFIIIA, Sp1
      
    
    
    • 2.3.2 Семейство: Developmental / cell cycle regulators; includes Krüppel
      
    
    
    • 2.3.4 Семейство: Large factors with NF-6B-like binding properties
    
    
    
    
  
  
  • 2.4 Класс: Cys6 cysteine-zinc cluster
  
  
  • 2.5 Класс: Zinc fingers of alternating composition
  
  
  
  


• 3 Надкласс: Спираль-поворот-спираль
  
  
  
  • 3.1 Класс: Гомеодомен
    
    
    
    • 3.1.1 Семейство: Homeo domain only; includes Ubx
      
    
    
    • 3.1.2 Семейство: POU domain factors; includes Oct
      
    
    
    • 3.1.3 Семейство: Homeo domain with LIM region
    
    
    • 3.1.4 Семейство: homeo domain plus zinc finger motifs
    
    
    
    
  
  
  • 3.2 Класс: Paired box
    
    
    
    • 3.2.1 Семейство: Paired plus homeo domain
    
    
    • 3.2.2 Семейство: Paired domain only
    
    
    
    
  
  
  • 3.3 Класс: Fork head / winged helix
    
    
    
    • 3.3.1 Семейство: Developmental regulators; includes forkhead
      
    
    
    • 3.3.2 Семейство: Tissue-specific regulators
    
    
    • 3.3.3 Семейство: Cell-cycle controlling factors
    
    
    • 3.3.0 Семейство: Other regulators
    
    
    
    
  
  
  • 3.4 Класс: Heat Shock Factors
    
    • 3.4.1 Семейство: HSF
    
    
  
  
  • 3.5 Класс: Tryptophan clusters
    
    
    
    • 3.5.1 Семейство: Myb
    
    
    • 3.5.2 Семейство: Ets-type
    
    
    • 3.5.3 Семейство: Interferon regulatory factors
      
    
    
    
    
  
  
  • 3.6 Класс: TEA (transcriptional enhancer factor) domain
    
    • 3.6.1 Семейство: TEA (TEAD1, TEAD2, TEAD3, TEAD4)
    
    
  
  
  
  


• 4 Надкласс: beta-Scaffold Factors with Minor Groove Contacts
  
  
  
  • 4.1 Класс: RHR (Rel homology region)
    
    
    
    • 4.1.1 Семейство: Rel/ankyrin; NF-kappaB
      
    
    
    • 4.1.2 Семейство: ankyrin only
    
    
    • 4.1.3 Семейство: NF-AT (Nuclear Factor of Activated T-cells) (NFATC1, NFATC2, NFATC3)
    
    
    
    
  
  
  • 4.2 Класс: STAT
    
    • 4.2.1 Семейство: STAT
      
    
    
  
  
  • 4.3 Класс: p53
    
    • 4.3.1 Семейство: p53
      
    
    
  
  
  • 4.4 Класс: MADS box
    
    • 4.4.1 Семейство: Regulators of differentiation; includes (Mef2)
      
      • 4.4.2 Семейство: Responders to external signals, SRF (serum response factor) (SRF)
      
      
    
    
  
  
  • 4.5 Класс: beta-Barrel alpha-helix transcription factors
  
  
  • 4.6 Класс: TATA binding proteins
    
    
    
    • 4.6.1 Семейство: TBP
    
    
    • 4.7.1 Семейство: SOX genes, SRY
      
    
    
    • 4.7.2 Семейство: TCF-1 (TCF1)
    
    
    • 4.7.3 Семейство: HMG2-related, SSRP1
      
    
    
    • 4.7.5 Семейство: MATA
    
    
    
    
  
  
  • 4.8 Класс: Heteromeric CCAAT factors
    
    • 4.8.1 Семейство: Heteromeric CCAAT factors
    
    
  
  
  • 4.9 Класс: Grainyhead
    
    • 4.9.1 Семейство: Grainyhead
    
    
  
  
  • 4.10 Класс: Cold-shock domain factors
    
    • 4.10.1 Семейство: csd
    
    
  
  
  • 4.11 Класс: Runt
    
    • 4.11.1 Семейство: Runt
    
    
  
  
  
  


• 0 Надкласс: Другие факторы транскрипции
  
  
  
  • 0.1 Класс: Copper fist proteins
  
  
  • 0.2 Класс: HMGI(Y) (HMGA1)
    
    • 0.2.1 Семейство: HMGI(Y)
    
    
  
  
  • 0.3 Класс: Pocket domain
  
  
  • 0.4 Класс: E1A-like factors
  
  
  • 0.5 Класс: AP2/EREBP-related factors
    
    
    
    • 0.5.1 Семейство: AP2
      
    
    
    • 0.5.2 Семейство: EREBP
    
    
    • 0.5.3 Надсемейство: AP2/B3
      
      
      
      • 0.5.3.1 Семейство: ARF
      
      
      • 0.5.3.2 Семейство: ABI
      
      
      • 0.5.3.3 Семейство: RAV
      
      
      
      
    
    
    
    
  
  
  
  

Искусственные факторы транскрипции |

Систему CRISPR можно адаптировать так, чтобы она действовала как транскрипционный фактор (crisprTF). Для этого CRISPR-ассоциированный белок, известный как Cas9, изменяют так, чтобы он после связывания с ДНК больше не мог её расщепить. Затем к нему добавляют сегмент, который активирует или подавляет экспрессию генов путём модуляции транскрипционного механизма клетки.^{[43][44][45][46]}
В отличие от транскрипционных факторов на базе цинковых пальцев и TAL-эффектора^[en], для узнавания ДНК системе CRISPR-Cas требуется только создание соответствующей последовательности РНК-«гида», а не создание новых белковых доменов фермента, что делает его гораздо более доступным благодаря дешевизне и простоте (вплоть до того что разработан набор правил — «грамматика» — описывающих, как спроектировать синтетический транскрипционный фактор (STFS) и программа для его автоматизированного проектирования^[47].)

Примечания |

См. также |

• Экспрессия генов


• Транскрипция


• РНК-полимераза


• p53


• NPAS3


• Белки группы polycomb


• регуляторная функция белков


• Регуляция гидролиза лактозы у кишечной палочки


• Oct-4