Позитивная регуляция синтеза РНК
Изучение механизмов функционирования белковых факторов транскрипции - задача непростая. Прежде всего, это связано с их малой концентрацией в клетках и большими сложностями получения факторов в очищенном состоянии для дальнейших биохимических исследований. Развитие генно-инженерных методов позволило получать факторы транскрипции в неограниченных количествах, что не замедлило принести плоды в виде новой информации.
Все известные факторы транскрипции на основании гомологии первичных структур их полипептидных цепей разделяют на четыре больших суперкласса
1) факторы с доменами, обогащенными основными аминокислотами (типа "лейциновая застежка").
В этой структуре остатки лейцина (Leu), находящиеся в составе α-спирального участка полипептидных цепей факторов, расположены через каждые шесть аминокислотных остатков на равном расстоянии друг от друга и оказываются на одной стороне α-спирали через каждые два витка (рис. 8.3,б). Такие домены сами по себе не связываются с ДНК, однако обеспечивают димеризацию содержащих их факторов путем взаимопроникновения лейциновых α-спиралей двух молекул факторов. В результате в димере появляются две правильно расположенные друг относительно друга полипептидные цепи, составленные преимущественно из основных аминокислотных остатков, которые и образуют ДНК-связывающий центр фактора транскрипции.
2) факторы с ДНК-связывающими доменами, координирующими ионы Zn2+. ("цинковые пальцы")
Одним из первых факторов транскрипции, полученных в виде очищенного рекомбинантного белка, был фактор ТFIIIА, который играет ключевую роль в транскрипции генов 5S рРНК РНК-полимеразой Ш. ДНК-связывающий участок полипептидной цепи этого фактора содержит девять 30-звенных повторов: Tyr/Phe-Xaa-Cys-Xaa-Cys-Xaa2,4-Cys-Xaa3-Phe-Xaa5-Leu-Xaa2-His-Хаа3,4-His-Xaa5, где Хаа - остаток любой аминокислоты. Таким образом, каждый из повторов содержит две строго консервативные пары остатков цистедина (Cys) и гистедина (His), которые взаимодействуют с одним ионом цинка. Это приводит к образованию в свернутой полипептидной цепи пространственной структуры, выступающей над поверхностью белковой глобулы в виде "пальца" (рис. 8.2,а). Вершины пальцев непосредственно контактируют с большой бороздкой ДНК, причем соседние пальцеобразные структуры связываются противоположными сторонами спирали ДНК (рис. 8.2,б).
Домены типа "цинковые пальцы" обнаружены у многих факторов транскрипции, обеспечивающих функционирование РНК-полимеразы II. Интересно, что точковая мутация в гене Kruppel-белка, приводящая к замене лишь одного из остатков Cys на Ser, что, в свою очередь, предотвращает связывание иона Zn2+, фенотипически проявляется как делеция целого гена этого фактора. На данном основании был сделан вывод о том, что способность связывать ионы Zn2+ является критической для проявления ДНК-связывающей активности факторов такого типа.
3) факторы, содержащие домены типа "спираль-поворот-спираль"
Такой тип пептидных доменов, специфически распознающих регуляторные последовательности на ДНК, характерен для белковых продуктов гомеотических (гомеозисных) генов, впервые обнаруженных у дрозофилы. Гомеотические гены позвоночных и растений играют ключевую роль в их морфогенезе. Полипептидные цепи белков, кодируемых этими генами, содержат высококонсервативную последовательность длиной в 60 аминокислотных остатков, называемую гомеодоменом, которая определяет специфичность взаимодействия белков с регуляторными последовательностями ДНК. Анализ третичной структуры гомеодоменов показал, что они образуют структуру типа "спираль-поворот-спираль", в которой за α-спиральным участком следует β-структура с последующим еще одним α-спиральным участком (рис. 8.3,a).
Для бактериальных белков-репрессоров было показано, что при образовании специфических комплексов с ДНК первый α-спиральный участок расположен перпендикулярно большой бороздке ДНК, тогда как второй частично находится в ней и обеспечивает специфические контакты репрессора с операторным участком ДНК.
4) факторы, содержащие домены типа p-scaffold, образующие контакты с малой бороздкой ДНК.
Факторы, не попадающих по своим структурным особенностям ни в один из вышеперечисленных суперклассов, отнесены к суперклассу 0. Такое разнообразие регуляторных белков у эукариот обусловлено наличием у них большого количества генов и необходимостью тонкой регуляцииих экспрессии на протяжении жизненного цикла.
Таковы особенности структуры некоторых наиболее хорошо изученных доменов факторов транскрипции, обеспечивающих специфичность взаимодействия последних с регуляторными последовательностями ДНК, что необходимо для их регуляторного воздействия на транскрипцию соответствующих генов. Количество известных доменов у факторов транскрипции быстро возрастает с развитием исследований в этой области. В белках существует несколько структур, обеспечивающих специфическое распознавание определенных последовательностей ДНК, что позволяет осуществлять передачу регуляторных сигналов к определенным генам-мишеням и служит основой для обеспечения их дифференциальной экспрессии на уровне транскрипции.
Несмотря на то что специфическое связывание с ДНК является обязательным этапом для регуляторного воздействия белковых факторов на транскрипцию, реализация активности факторов часто требует их специфического взаимодействия с другими регуляторными белками, а также с самой РНК-полимеразой II. Большинство таких воздействий приводит к активации транскрипции. Однако результатом некоторых из них может быть и репрессия синтеза мРНК.