فصل 4 بخش F6

Helix-Loop-Helix

Helix-Loop-Helix توسط دو آلفا هلیکس که به یک لوپ متصل هستند ، شناخته می شود. آن را با Helix-Turn-Helix اشتباه نگیرید. در حقیقت ؛ این دو ساختار کاملا با هم تفاوت دارند ؛ اما Helix-Loop-Helix مشابه با leucine zipper است. برای مثال پروتئین تعیین کننده میوبلاست ( MyoD )

( a )

( b )

 شکل 4-F-6 . فاکتور رونویسی MoyD . (  ) سازمان دهنده دامین ( b ) ساختار موتیف helix-loop-helix  . PDB ID=1MDY

Review Article:

Helix-Loop-Helix Proteins: Regulators of Transcription in Eucaryotic Organisms - Molecular and Cellular Biology, 2000. 

فصل 4 بخش F5

Leucine zipper

مانند بسیاری از سایر فاکتور های رونویسی ، leucine-zipprer دارای فاکتور های رونویسی است که به صورت دایمر به DNA متصل می شوند. Leucine zipper توسط دو آلفا هلیکس تشکیل می شود ( هر کدام یک منومر را تشکیل می دهند ). هلیکس توسط برهمکنش هیدروفوبیک میان دو رزدیو لئوسین ( که هر کدام در یک طرف هلیکس قرار دارند ) در کنار هم قرار میگیرد. برای مثال  AP-1, CREB, and Gcn4

 ( a )

 

( b )

شکل 4-F-5 ( ) .دامین سازماندن دهنده فاکتور رونویسی Jun . ( ب ) ساختار کمپلکس  AP-1/DNA .

AP-1 دایمری است که توسط پروتئین Jun شکل می گیرد و همولوگ پروتئین Fos می باشد.این کمپلکس دارای موتیف leucine zipper  می باشد که دو آلفا هلیکس( رنگ سبز ) مانند zipper به همراه رزدیو لئوسین در درون zipper جای گرفته اند.

Review article:

CCAAT/enhancer-binding proteins: structure, function and regulation - Biochem. J., 2002.

فصل 4 بخش F4

Helix-Turn-Helix

 موتیف Helix-Turn-Helix دارای دو هلیکس ( مارپیچ ) و رشته آمینو اسید کوتاه گسترش یافته ای میان آن ها است. اکثر هلیکس های کربوکسیل – ترمینال می توانند به شیار بزرگ DNA  متصل شوند. این موتیف در صد ها پروتئین متصل به DNA یافت می شود به طور مثال :

l repressor, tryptophan repressor, catabolite activator protein (CAP), octamer transcription factor 1 (Oct-1) and heat shock factor (HSF), 

 ژن های هموتیکی که نقش بسیار مهمی در رشد مگس دارند ، محصولات آن ها دارای همو دامین هایی است که دارای شکل خاصی از helix-turn-helix می باشند.

 

شکل 4-F-4 . واکنش میان دایمر رپرسور لاندا  و DNA .  هر رپرسور  لاندا دارای موتیف helix-turn-helix می باشد. یکی از هلیکس ها به شیار بزرگ DNA متصل می شود. PDB ID = 1LMB

فصل 4 بخش F2

Zinc – finger  

حاوی یک یا چند یون روی می باشد که برای پایداری ساختار ضروری می باشند و  به سه گروه زیر تقسیم می شوند :

C₂H₂ zinc finger : توسط توالی CX_2-4C....HX_2-4H شناخته می شوند .

C  = سیستئین

H  = هیستیدین

X  = هر آمینو اسیدی

در ساختار 3D ( سه بعدی ) دو رزدیو سیستئین و دو رزدیو هیستیدین با یون روی برهمکنش دارند. ( شکل 4-F-1 )

C₄ zinc finger : توالی مورد توافق آن CX₂CX₁₃CX₂CX_14-15CX₅CX₉CX₂C می باشد. چهار زدیو سیستئین اول به یک یون روی و چهار رزدیو سیستئین آخر به یک یون روی دیگر متصل می شوند ( شکل 4-F-2 )

C₆ zinc finger :  دارای توالی مورد توافق CX₂CX₆CX_5-6CX₂CX₆C می باشد. Gal4 مخمر دارای موتیف مشابهی از این نوع می باشد که حاوی شش رزدیو سیستئین است که با دو یون روی برهمکنش دارند ( شکل 4-F-3 )

( a )

( b )

 

شکل 4-F-1  دامینی کهSP1  را سازماندهی می کند شامل 696 رزدیو می باشد. موقعیت انگشت- روی نشان داده شده است. ( b ) ساختار ناحیه انگشت – روی . PDB ID=1SP1

( a )

 

( b )

 

 

شکل 4-F-2 . ) دامینی که رسپتور استروژن ( ER ) را سازماندهی می کند. ( b ) کمپلکس دامین انگشت- روی ER و DNA . در این شکل ، دو ER دایمر می شوند. هر ER به یون روی متصل شده ( توسط توپ های نارنجی نشان داده شده اند ). اکثر رسپتور های هورمون استروئید دارای موتیف مشابه ای مانند این می باشند. PDB ID = 1HCQ

 

( a )

 

( b )

 

شکل 4-F-3 .  دامین سازمان دهنده Gal4 . ( ب )  ساختار انگشت – روی Gal 4 . مانند بسیاری از سایر فاکتور های رونویسی ، Gal4 برای برهمکنش با DNA دایمر تشکیل می دهد. در هر Gal4 ، شش رزدیو سیستئین به یون های روی متصل می شوند ( توسط توپ های نارنجی نشان داده شده اند ) . PDB ID = 1D66

Review Articles:

Yeast Gal4: a transcriptional paradigm revisited - EMBO reports, 2006.

GATA1 Function, a Paradigm for Transcription Factors in Hematopoiesis - Mol. Cell Biology, 2004.

The Zinc Finger-containing Transcription Factors GATA-4, -5, and -6 - J. Biol. Chem., 2000.

Kr�ppel-like Factors: Three Fingers in Many Pies - J. Biol. Chem., 2001.

فصل 4 بخش F

ساختار موتیف ها و فاکتور های رونویسی

اغلب فاکتورهای رونویسی دارای موتیف های مخصوصی برای برهمکنش با DNA  هستند. موتیف های معمول مشاهده شده در ادامه نام برده شده اند :

 Zinc finger

حاوی یک یا چند یون روی می باشد که برای پایداری ساختار ضروری می باشند.

Helix-Turn-Helix

شامل دو آلفا هلیکس و رشته آمینو اسید کوتاهی مابین آن ها می باشد. 

Leucine zipper

توسط دو الفا هلیکس تشکیل می شوند ، که آن ها توسط برهمکنش های هیدروفوبیک میان رزدیو های لئوسین در کنار هم نگه داشته می شوند.

Helix-Loop-Helix

توسط دو آلفا هلیکس که به وسیله لوپ به یکدیگر متصل می شوند ، شناسایی می شوند.

 Review Article:

Designing Transcription Factor Architectures for Drug Discovery - Mol. Pharma., 2004.

 

فصل 4 بخش E2 ( گردهم آیی کمپلکس پیش آغازین )

گردهم آیی کمپلکس پیش آغازین ( PIC )

شکل 4-E-2 . سر هم شدن کمپلکس پیش آغازین ( PIC ). ابتدا TBP به پروموتور متصل شده و سپس TFIIB به TFIID متصل می شود. ( در صورتی که TFIIA وجود داشته باشد ) قبل از ورود PIC ، RNA پلیمراز II و TFIIF به یکدیگر متصل هستند . در نهایت RNA پلیمراز II از TFIIE که همراه با TFIIH است برای گردهم آوری PIC استفاده می کند.

 

جدول 4-E-1 . فاکتور های رونویسی عمومی که با RNA pol II در سلول های انسانی همکاری دارند.

 

Review Articles:

Phosphorylation and functions of the RNA polymerase II CTD - Genes and Development, 2006.

Diversified transcription initiation complexes expand promoter selectivity and tissue-specific gene expression - Genes and Development, 2003.

RNA polymerase II and the integration of nuclear events - Genes and Development, 2000

 

فصل 4 - بخش E ( مکانیسم رونویسی در یوکاریوت ها )

مکانیسم رونویسی در یوکاریوت ها

در یوکاریوت ها ، سه کلاس از RNA پلیمراز ها وجود دارد : I , II و III . این بخش بر روی RNA پلیمراز II ( Pol II ) فوکوس دارد که در رونویسی همه ژن های پروتئین ها شرکت می کند. رونویسی توسط Pol I و Pol III در بخش I شرح داده می شود.

 

 شکل 4-E-1 . ساختار دامین هسته TBP انسان که با DNA کمپلکس شده است و به وسیله کریستالوگرافی اشعه X شناسایی شده . DNA حاوی عنصر TATA می باشد. PDB=1CDW

 مرحله آغازین

RNA پلیمراز II حاوی زیر واحدی مشابه با فاکتور سیگما پروکاریوتی نمی باشد که بتواند پروموتور را شناسایی کند و هلیکس دوتایی DNA را از هم باز کند. در یوکاریوت ها این اعمال توسط گروهی از پروتئین ها که فاکتور های عمومی رونویسی خوانده می شوند انجام می گیرد. RNA پلیمراز II با شش فاکتور عمومی رونویسی همکاری دارد ( با علائم TFIIA , TFIIB , TFIID ,TFIIE ,TFIIF و TFIIH نامگذاری شده اند که TF معرف فاکتور های رونویسی و II به RNA پلیمراز II برمیگردد )

TFIID شامل TBP ( پروتئین متصل شونده به جعبه TATA ) و TAF ( فاکتور همکار TBP ) می باشد. نقش TBP ، اتصال به هسته پروموتور می باشد ( شکل 4-E-1 ). TAF ها به TBP در انجام  این فرآیند کمک می کنند. در سلول های انسانی ، TAF ها توسط 12 زیر واحد شکل می گیرند. یکی از آن ها TAF250 ( با وزن مولکولی 250KD ) دارای فعالیت هیستون استیل ترانسفرازی می باشد که می تواند اتصال میان DNA  و هیستون ها را در نوکلئوزوم را آزاد کند.

فاکتور رونویسی که باز شدن دو رشته DNA را کاتالیز می کند ، TFIIH می باشد. TFIIH می تواند دو رشته DNA را باز کند و در نهایت RNA پلیمراز II و پنج فاکتور عمومی رونویسی ( TFIIA کاملا لازم نیست ) کمپلکس پیش آغازین ( PIC ) را تشکیل می دهند. ترتیب سر هم شدن PIC در شکل 4-E-2 شرح داده شده است.

 

Review Article:

Regulation of gene expression by TBP-associated proteins - Genes and Development, 1998.

 

 طویل سازی

 پس از اینکه PIC بر روی پروموتور شکل گرفت ، TFIIH از فعالیت هلیکازی می تواند استفاده کند و دو رشته DNA را باز کند. این عمل نیاز به انرژی آزاد شده از هیدرولیز ATP دارد. باز شدن دو رشته DNA تقربیا از فاصله 10bp ( 10 جفت بازی ) شروع می شود. سپس RNA پلیمراز II از نوکلئوزید تری فسفات ها ( NTPs ) برای سنتز رونوشت RNA استفاده می کند. در طول طویل سازی RNA ، TFIIF متصل به RNA پلیمراز باقی می ماند ، اما سایر فاکتورهای رونویسی از PIC جدا می شوند.

دامین کربوکسیل-ترمینال ( CTD ) زیر واحد بزرگ RNA پلیمراز II برای طویل سازی بسیار مهم می باشد. در فاز آغازی ، CTD فسفوریله نشده می باشد اما در زمان طویل سازی فسفوریله می شود. این دامین دارای تعداد زیادی از رزدیو های پرولین ، سرین و ترئونین می باشد.

 پایان رونویسی

 ژن های پروتئین های یوکاریوتی دارای سیگنال poly A هستند که در downstream آخرین اگزون قرار دارد. این سیگنال برای اضافه شدن سری از رزدیو های آدنیلات در زمان پرداش RNA استفاده می شود. خاتمه رونویسی اغلب در 0.5 - 2 kb downstream سیگنال poly A رخ می دهد اما مکانیسم به درستی شناخته نشده است.

 

 

نقش فاکتور های تنظیم کننده رونویسی

در سال 1990 زمانی که اسرار تنظیم رونویسی در پروکاریوت ها تقریبا کشف شد ، دانشمندان اطلاعات بسیار کمی در رابطه با تنظیم رونویسی در یوکاریوت ها داشتند. در سال 1996 تعدادی از گروه های تحقیقاتی دریافتند که transcriptional coactivators ، هیستون استیل ترانسفراز ها( HATs  ) می باشند. و آن ها دریافتند که اتصال فعال کنند ها ی رونویسی به ناحیه enhancer ( در اغلب موارد ) برای تحریک رونویسی کافی نمی باشد. برای این کار co-activator  ها نیز لازم هستند. به طور مشابه ، مهار رونویسی اغلب احتیاج به اتصال رپرسور بر روی خاموش کننده ( silencer ) و شرکت همزمان پروتئین های co-repressor دارد. نقش دقیق این co-activator  ها و co-repressor ها تا سال 1996 شناخته نشده بود.

در یوکاریوت ها ، همکاری میان DNA و هیستون ها از دستیابی پلیمراز و فاکتور های رونویسی عمومی به پروموتور جلوگیری می کند. استیلاسیون هیستون ها توسط HAT ها که می توانند اتصال میان DNA و هیستون ها را سست کنند ، انجام می گیرد. اگر چه زیر واحد TFIID (  TAF250 در انسان ) دارای فعالیت HAT می باشد ، شرکت کردن سایر HAT ها سبب می شوند که رونویسی کارآمد تر انجام گیرد. نقش های زیر برای اغلب نمونه ها ( نه همه آن ها ) می باشد :

1-  اتصال فعال کننده ها به عنصر enhancer ، سبب فعالسازی HAT  ها برای سست کردن پیوند میان هیستون ها و DNA می شود. بنابراین رونویسی را افزایش می دهند.

2- اتصال رپرسور به عنصر silencer  ، هیستون د استیلاز ها ( histone deacetylases = HDs = HDACs ) را فعال می کند تا اتصال میان DNA و هیستون ها را محکمکنند.

 

برای کسب اطلاعات بیشتر بخش G را ببینید.

 Review Article:

Elongation by RNA polymerase II: the short and long of it - Genes and Development, 2004.

Orchestrated response: a symphony of transcription factors for gene control - Genes and Development, 2000.

فصل 4 بخش D5

 فعالسازی رونویسی glnA توسط NTRC

برخلاف اپران لک ، enhancer ژن glnA مقدار کمی از پروموتور دور می باشد بنابراین فعالساز سریعا با پلیمراز تماس نمی یابد. پروتئین C تنظیم کننده نیتروژن ( NTRC ) می تواند  سبب DNA looping شود تا فعالساز را در تماس با پلیمراز قرار دهد.

 

 

شکل 4-D-5. مکانیسم فعالسازی رونویسی توسط NTRC

( a ) ژن glnA توسط سیگما 54 متصل شده به پلیمراز رونویسی می شود که به تنهایی قادر به راه اندازی رونویسی نمی باشد. دایمر NTRC فسفریله نشده تنها می تواند به یک سایت بر روی فعالساز متصل شود که البته  در این حالت هنوز برای تحریک رونویسی کافی نمی باشد.

( b ) دایمر NTRC فسفوریله شده می تواند به هر دو سایت فعالساز متصل شود.

( c ) این اتصالات سبب القای DNA looping می شوند. ارتباط میان فعالساز و پلیمراز سبب تثبیت برهمکنش میان پلیمراز و DNA می شوند و بنابراین رونویسی آغاز می شود.

 

فصل 4 بخش D3

تنظیم رونویسی اپران لک

 

شکل 4-D-3. تنظیم رونویسی اپران لک ( a ) توسط CAP ( b ) توسط مهار کننده lac

 

فعالسازی رونویسی توسط CAP

در فقدان هر گونه فعال ساز رونویسی ، اتصال پلیمراز به پروموتور اپران لک سست می باشد. سایت اتصال پروتئین فعال ساز کاتابولیک ( CAP ) فقط در upstream پروموتور قرار دارد. در مواردی از این قبیل ، فعالساز می تواند با اتصال مستقیم با پلیمراز رونویسی را افزایش دهد و اتصال می تواند بسیار دقیق تر با پروموتور صورت بگیرد.

 

جلوگیری از رونویسی توسط مهار کننده lac ( Lac repressor )

خاموش کننده اپران لک در سایت آغاز رونویسی واقع شده است ( اپراتور ). زمانی که مهار کننده lac به این ناحیه متصل می شود ، از حرکت پلیمراز جلوگیری کرده و در نتیجه مانع رونویسی می شود.

 

 

 

شکل 4-D-4 .  ساختار کمپلکس مهار کننده lac / اپراتور . رپرسور همودایمر است . هر زیر واحد توسط رنگ متفاوتی نشان داده شده است. PDB ID = 1LBG

 

فصل 4 بخش D2

خاتمه رونویسی در پروکاریوت ها

در پروکاریوت ها رونویسی توسط دو مکانیسم عمده به پایان می رسد : وابسته به Rho ( درونی ، ذاتی ) و غیر وابسته بهRho  

سیگنال خاتمه رونویسی وابسته به Rho در حدود 30 تا 40 جفت باز طول دارد و شامل تعداد زیادی رزدیو GC می باشد که توسط سری هایی از T ( در RNA رونویسی شده U ) ادامه می یابد. نتیجه رونویسی از RNA تشکیل ساختار ساقه –حلقه ( stem-loop ) برای خاتمه رونویسی می باشد.

 

شکل 4-D-2 . ساختار ساقه – حلقه رونوشت RNA که به عنوان سیگنال خاتمه رونویسی برای اپران تریپتوفان می باشد.

 

مکانیسم وابسته به Rho

Rho پروتئینی 50KD می باشد که تقریبا نیمی از پایان رونویسی E.coli  را برعهده دارد . شش پروتئین Rho هگزامری را می سازند تا رونویسی را خاتمه دهند ، اما این مکانیسم به خوبی شناخته نشده است. آزمایشات نشان می دهند که برای خاتمه رونویسی به این روش دو ترکیب مهم هستند : ( الف ) سایت loading ( بارگذاری ) Rho در upstream ( ب ) سایت خاتمه در downstream . ابتدا هگزامر Rho به رونوشت RNA در سایت upstream متصل شده که دارای 70 تا 80 نوکلئوتید طول و سرشار از رزدیو های C می باشد.سپس بعد از اتصال ، هگزامر Rho بر روی RNA در جهت 3َ حرکت می کند. اگر حرکت پلیمراز کند شود ، هگزامر Rho به آن می رسد و رونویسی را در سایت خاتمه موجود در downstream به پایان می رساند. Rho دارای فعالیت ATPase می باشد که می تواند جدا شدن پلیمراز را از DNA تحریک کند.

 

 

فصل 4 بخش D

مکانیسم رونویسی در پروکاریوت ها

در پروکاریوت ها ، اتصال فاکتور سیگمای پلیمراز به پروموتور می تواند باز شدن دو رشته DNA را از هم کاتالیز نماید. مهمترین سیگما فاکتور ، سیگما فاکتور 70 می باشد که ساختار آن توسط کریستالوگرافی اشعه x شناخته شده است .

( a )

 

( b )

 

 

شکل 4-D-1 . ساختار سیگما 70 و سایت اتصال آن  به DNA . ( a ) ساختار سیگما 70 ، رزدیو 114 تا 448 . PDB ID = 1SIG . ( b ) مدلی برای اتصال مابین سیگما 70 و پروموتور که بر اساس آموخته های بیوشیمیایی به دست آمده است. رزدیو Y425, Y430, W433 and W434 به طور مستقیم در باز شدن ( melting ) مارپیچ دوتایی درگیر هستند.

 

به یاد داشته باشید که پروموتور غنی از A و T می باشد. جفت AT دارای دو پیوند هیدروژنی می باشند در حالی که جفت CG دارای سه پیوند هیدروژنی می باشند. بنابراین جفت باز AT راحت تر از هم جدا می شوند. مبداء همانند سازی DNA نیز غنی از A و T می باشد.

بعد از این که رشته های DNA در ناحیه پروموتور از هم جدا شدند ، هسته پلیمراز(aabb') می تواند سنتز رشته های RNA را بر اساس توالی های رشته DNA الگو شروع کند. ( شکل 4-B-1 را ببینید ) از اینرو نقش فاکتور سیگما راه اندازی رونویسی می باشد ، این زیر واحد پس از پلیمریزاسیون 10 نوکلئوتید رها می شود.

طویل سازی رشته RNA تا زمانی که هسته پلیمرازی به سایت انتها ( خاتمه ) برسد ، ادامه می یابد. (اطلاعات بیشتر  )

 

تنظیم توسط فاکتور های رونویسی :

تنظیم رونویسی اپران لک توسط CAP و مهار کننده lac

 

فعالسازی رونویسی glnA توسط NTRC ( مثالی از DNA looping )

 

 

 

فصل 4 بخش c6 ( عناصر پاسخ )

عناصر پاسخ

response element سایت های شناسایی برای فاکتور های رونویسی می باشند. ( شکل 4-C-4 ). اغلب آن ها در فاصله یک کیلو بازی از سایت آغازین رونویسی قرار گرفته اند.

 

جدول 4-C-4 . عناصر پاسخ یوکاریوتی

Response Element	Transcription Factor	Consensus Sequence
CRE	CREB	TGACGTCA
ERE	Estrogen receptor	AGGTCANNNTGACCT
GRE	Glucocorticoid receptor	AGAACANNNTGTTCT
HSE	Heat shock factor	GAANNTTCNNGAA
SRE	Serum response factor	CC(A/T)6GG

*(A/T)₆  means six A or T; N = any

 

عنصر cAMP ( CRE ) با CREB ( CRE-binding protein ) برهمکنش دارد که توسط cAMP تنظیم می شود. ( شکل 6-F-1 را ببینید )

عناصر پاسخ استروژن ( ERE ) و عناصر پاسخ گلوکورتیکوئید ( GRE ) سایت های شناسایی برای رسپتور های استروژن و رسپتور های  گلوکورتیکوئید می باشند. به یاد داشته باشید که هورمون ها فاکتور رونویسی نیستند اما بسیار از رسپتور های ان ها وجود دارد. شکل 4-C-5 ساختار دومین چندین رسپتور استروئید را نشان می دهد.

عنصر پاسخ شوک حرارتی ( HSE ) در ژن های پروتئین های شوک حرارتی وجود دارد. در پاسخ به فشار های خارجی ( به طور مثال دما ) فاکتور شوک حرارتی ( HSF ) با HSE واکنش داده و بیان شوک های حرارتی را تحریک می کند.

عنصر پاسخ سرم ( SRE ) به فاکتور پاسخ سرم ( SRF ) متصل شده که می تواند توسط بسیاری از فاکتورهای رشد در سرم فعال شود. زیر واحد Fos از AP-1 توسط ژنی که حاوی SRE است رمزگذاری می شود. Fos دارای نقش بسیار مهمی در فرآیند چرخه سلولی می باشد.

 

 

شکل 4-C-5 . ساختار دامین فوق خانواده رسپتور های استروئید. ناحیه اتصال لیگاند به استروئید متصل می شود و ناحیه اتصال DNA با DNA برهمکنش دارد تا رونویسی ژنی را تنظیم نمایند.

 

فصل 4 بخش c5 ( خاموش کننده ها )

خاموش کننده ( silencer )

Silencer عناصری از DNA هستند که به فاکتور های رونویسی ( repressor ها ) متصل می شوند و می توانند از رونویسی جلوگیری کنند. در پروکاریوت ها خاموش کننده ها به عنوان اپراتور شناخته می شوند که در بسیاری از ژن ها مانند اپران لک و اپران تریپتوفان وجود دارند. در یوکاریوت ها ژن های زیر دارای silencer می باشند : ( لینک به چکیده مطلب )

• Human b globin gene  
• Human CD95(Fas/APO-1) gene  
• Human dopamine beta-hydroxylase (DBH) gene
• Brain-derived neurotrophic factor gene

   در چند مورد ، DNA می تواند به عنوان enhancer یا silencer عمل کند که این ویژگی به پروتئین اتصال بستگی دارد. برای مثال ، ژن های معینی دارای عناصری هستند که E box خوانده می شوند ( شامل  CACGTG  می باشد) ؛ که این ژن ها می توانند به دایمر Max/Myc یا دایمر Max/Mad متصل شوند. دایمر Max/Myc می تواند رونویسی را فعال در حالی که دایمر Max/Mad رونویسی از این ژن ها را غیر فعال ( خاموش ) می کند.

 

مقاله  مروری :

Co-repressors 2000 - FASEB J., 2000.

 

فصل 4 بخش c4 ( تقویت کننده )

تقویت کننده ( Enhancer )

Enhancer عناصری از DNA هستند ( همراه با فاکتور های رونویسی ( فعال کننده ها ) هستند ) که می توانند رونویسی را افزایش دهند. این عناصر می توانند در بالادست یا پایین دست سایت آغازین رونویسی قرار گیرند. با این وجود اکثر آن ها در بالادست ( upstream ) قرار می گیرند. در پروکاریوت ها enhancer  ها به پروموتور بسیار نزدیک هستند ، اما در یوکاریوت ها می توانند از پروموتور دور باشند.

 

( a ) ژن glnA در  E. coli

 

 

( b ) ژن های GAL1 and GAL10 در مخمر

 

 

( c ) کلاستر های  ژن های  b globin در انسان  

 

 

شکل 4-C-4 مثال هایی از enhancer ها

 

 

( a ) E. coli glnA gene

Enhancer ژن glnA در فاصله 120 جفت بازی از سایت آغاز وجود دارد که دارای دو سایت اتصال از فاکتور رونویسی پروتئین C تنظیم کننده نیتروژن  ( NTRC ) می باشد.

 

( b ) ژن های GAL1 و GAL10 مخمر

این دو ژن توسط enhancer های مشابهی که در میان آن ها قرار دارند ، تنظیم می شوند. دو ژن در دو مسیر مخالف رونویسی می شوند. بنابراین ، enhancer در بالادست هر دو سایت آغازین قرار می گیرد. که همین طور آن را سکانس های فعال کننده بالادست ( UAS ) می نامند که دارای چهار سایت اتصال برای فاکتور رونویسی GAL4 می باشد.

 

( c ) کلاستر  ژن بتا گلوبولین انسان

کلاستر ژن بتا گلوبولین در انسان توسط ناحیه تقویت کننده ( enhancer ) ای که شامل HS1 تا HS4 می باشد ،  کنترل می شوند. این ناحیه تقویت کننده  دارای سایت های اتصال GATA-1, NF-E2, AP-1 و سایر فعال کننده های رونویسی ( برای مشاهده بیشتر به سرور ژن های گلوبولین سر بزنید ) می باشد. این ناحیه به عنوان ناحیه کنترل لوکوس ( LCR ) شناخته شده است ، که بیان تمام پنج ژن  (e, Gg, Ag, d and b ) را حتی زمانی که فاصله میان HS4 و ژن بتا بیشتر از 60 کیلو باز باشد را بر عهده دارد.

 

 

جدول 4-C-3 . مثال هایی از فعال کننده های رونویسی در پستانداران

فعال کننده رونویسی	توالی مورد توافق	فعال کننده رونویسی	توالی مورد توافق
AP-1	TGAGTCA	p53	PuGPuCATGPyCPy
AP-2	CCC(A/C)N(C/G)3	NF-kB	GGGPuNTPyPyCC
Oct-1	ATGCAAAT	NFAT	GGAGAPu
GATA-1	(A/T)GATAPu	NF-E2	TGACTCAG

 

Pu = Purine (A or G);  Py = Pyrimidine (C or T);  N = any.

Review Article:

Locus control regions - Blood, 2002

 

فصل 4 بخش c3

Figure 4-C-3a.  The promoter region of the IL-2 gene

Figure 4-C-3b.  The complex formed by NFAT, AP-1(Fos/Jun) and DNA.  PDB ID = 1A02.

 

فصل 4 بخش c2 ( پروموتور اپران لک )

پروموتور اپران لک

اپران lac در E.coli توسط Francois Jacob, Andre Lwoff and Jacques Monod برای بررسی کردن مکانیسم رونویسی در سال 1960 مورد بررسی قرار گرفت. سکانس های پروموتور در شکل های زیر نشان داده شده اند

( a )

( b )

شکل 4-C-2  . پروموتور اپران لک ( که رونویسی از lacZ را تنظیم میکند و نه lacI ) .  ( a ) نشان می دهد که اعداد سکانس های ژنوم  از سمت چپ به راست افزایش می یابند. توالی 5َ به 3َ آن در اطلاعات پایه ای مشابه هستند ( AE000141 ) ( b ) نشان می دهد که اعداد سکانس های پروموتور از سمت چپ به راست افزایش می یابند. توالی های آن از 5َ به 3َ قابل قیاس با  توالی مورد توافق هستند.

DNA دو رشته ای با یکدیگر مکمل هستند. تنها سکانس های یک رشته برای ارائه اطلاعات هر دو رشته کافی می باشد. طبق قرارداد از سکانس های 5َ به 3َ ( چپ به راست ) استفاده می شود طبق شکل بالا ، سکانس پروموتور اپران لک TATGTT در ناحیه 10- و TTTACA  در ناحیه 35- می باشد. بر طبق جدول  4-C-1 توالی مورد توافق سیگما 70 که اپران لک را تنظیم می کند توالیTATAAT  در ناحیه 10- و  TTGACA  در ناحیه 35- می باشد. آن ها در سه موقعیت با هم تفاوت دارند ( دو تا در 10- و یکی در 35- ) . به شیوه آزمایشگاهی دانشمندان دریافتند که اتصالRNA پلیمراز به پروموتور لک نسبتا ضعیف می باشد. رونویسی از اپران لک اغلب نیازمند فعال کننده هایی مانند پروتئین های فعال کننده کاتوبولیتی ( CAP ) نیازمند است.

 

فصل 4 - بخش c1 ( پروموتور )

پروموتور  ( promoter )

پروموتور ناحیه ای از DNA می باشد که آغاز رونویسی در آنجا صورت می گیرد. در پروکاریوت ها توالی پروموتور توسط فاکتور سیگمای RNA پلیمراز شناسایی می شود اما در یوکاریوت ها توسط فاکتور ها مخصوص رونویسی شناسایی می شود.

 

E. coli

E. coli دارای پنج سیگما فاکتور می باشد :

سیگما 70 : بیان اغلب ژن ها را تنظیم می کند.

سیگما 32 : بیان پروتئین های شوک حرارتی را تنظیم می کند.

سیگما 28 : بیان اپران فلاژل ( در جابه جایی سلولی نقش دارد ) را تنظیم می کند.

سیگما 38 : بیان ژن هایی که ضد فشار های ( تغییرات ) خارجی عمل دارند را تنظیم می کند.

سیگما 54 : بیان ژنی متابولیسم نیتروژن را تنظیم می کند.

جدول .4-C-1

سیگما فکتور E. coli  و سایر فاکتور های مورد توافق با سایت های شناسایی مربوط به خود ( پروموتور )

جدول 4-C-1 توالی های مورد توافق پروموتور هایی را نشان می دهد که توسط سیگما فاکتور E.coli شناسایی می شوند. ( به جز سیگما 38 که هنوز مشخص نشده است ). توالی مورد توافق ، توالی مطلوب برای برهمکنش آن با پروتئین های تنظیمی خود است. پروموتور باید حاوی سکانس های مشابه ( خیلی نزدیک ) با توالی مورد توافق باشد.

مثال :  اپران لک

 

یوکاریوت :

در یوکاریوت ها ، تفاوت قابل توجهی میان رونویسی از ژن های پروتئین ها و ژن های RNA وجود دارد. اغلب بخش های فصل 4 به بررسی رونویسی از ژن های پروتئین ها می پردازد. ژن های RNA   دربخش I شرح داده شده اند.

پروموتور معمول در ژن های پروتئین های یوکاریوتی جعبه TATA ( در 35- تا 20- واقع شده است ) می باشد. این توالی مورد توافق ( TATAAA ) بسیار مشابه با سایت اتصال فاکتور سیگما 70 در ناحیه 10- می باشد. پروموتور دیگر را آغازگر ( Inr ) می نامند ؛ که دارای توالی مورد توافق PyPyAN(T/A)PyPy می باشد . Py نشان دهنده پریمیدن ( C یا T ) و N می تواند هر چیزی باشد. باز A در موقعیت سوم در مکان 1+ قرار دارد ( 1+ نشان دهنده سایت آغاز رونویسی می باشد. )

جدول 4-C-2 . عناصر پروموتور یوکاریوتی

 

پروتئینی که با آغازگر و جعبه TATA برهمکنش دارد را پروتئین متصل شونده به جعبه TATA ( TBP ) می نامند ،  زیرا جعبه TATA زودتر از آغازگر شناسایی می شود. TBP فقط هسته پروموتور ژن های پروتئینی را شناسایی نمی کند ، بلکه پروموتور های RNA را نیز شناسایی می کند ( بخش I ) . TBP زیر واحدی از فاکتور رونویسی عمومی TFIID می باشد. در یوکاریوت ها ، رونویسی محتاج به چندین فاکتور رونویسی عمومی است که فاکتور های رونویسی را تنظیم می کنند.

مثال :

The promoter region of the IL-2 gene - contains TATA box and the binding sites of transcription factors: NFAT, Oct-1, NF-kB and AP-1.

Review Articles:

Biological Role of the CCAAT/Enhancer-binding Protein Family of Transcription Factors - J. Biol. Chem., 1998.

C/EBP and the Control of Phosphoenolpyruvate Carboxykinase Gene Transcription in the Liver - J. Biol. Chem., 1998.

Core promoters: active contributors to combinatorial gene regulation - Genes and Development, 2001.

A unified nomenclature for TATA box binding protein (TBP)-associated factors (TAFs) involved in RNA polymerase II transcription - Genes and Development, 2002

فصل 4 بخش c

عناصر تنظیم ژن

ژن حاوی ناحیه رونویسی و ناحیه تنظیمی می باشد. ناحیه تنظیمی بخشی از DNA است که به رونوشت اولیه ( مولکول RNA ای که مکمل ناحیه رونویسی است )رونویسی می شود. ناحیه تنظیمی به دو ناحیه تنطیمی سیس ( cis acting ) و ترانس ( trans acting ) تقسیم بندی می کنند. عناصر تنظیمی سیس سایت های اتصالی برای فاکتور های رونویسی هستند که در واقع آن ها پروتئین هایی هستند که می توانند رونویسی را تحت تاثیر قرار دهند. ( رونویسی را کاهش یا افزایش دهند). عناصر تنظیمی ترانس توالی از DNA می باشند که فاکتور های رونویسی را encode می کنند.

عناصر سیس را به چهار دسته زیر تقسیم می کنند :

 

پروموتور

ناصر DNA ای که در آن جا آغاز رونویسی اتفاق می افتد

 

تقویت کننده ( enhancer )

عنصری که با اتصال به فاکتور های رونویسی می تواند رونویسی را افزایش دهد. فاکتور رونویسی که به enhancer متصل می شود را فعال کننده رونویسی می نامند.

 

خاموش کننده ( silencer )

عناصری که با اتصال با فاکتور های رونویسی می توانند رونویسی را کاهش دهند. فاکتور هی رونویسی که به silencer متصل می شوند را رپرسور می نامند.

 

عنصر واکنش ( response )

ناحیه شناخت فاکتور های رونویسی

 

 

شکل 4-C-1 . سازمان یابی ژنی . ناحیه رونویسی شامل اگزون ها و اینترون ها می باشد. عنصر تنظیمی شامل پروموتور ، عنصر واکنش ، افزایش دهنده و خاموش کننده می باشد ( نشان داده نشده اند). پایین دست به مسیر رونویسی و بالا دست به جهت خلاف رونویسی اشاره دارد. شماره گذاری جفت باز ها در ناحیه پروموتور به این  صورت می باشد که اعداد در مسیر رونویسی افزایش می یابند و 1+  برای سایت آغازین اختصاص داده شده است. موقعیت صفر وجود ندارد و جفت بازی که در ناحیه بالادست 1+ وجود دارد 1- می باشد و نه صفر.

 

سایتی برای علاقمندان :

Database of transcriptional start sites

 

فصل 4 - بخش B1

عملکرد RNA پلیمراز ها :

RNA و DNA پلیمراز هر دو می توانند نوکلئوتید ها را به رشته موجود اضافه کنند و طول آن را افزایش دهند . با این وجود آن ها تفاوت مهمی را بین دو گروه از آنزیم ها با هم دارند : RNA پلیمراز می تواند سنتز رشته جدیدی را راه اندازی کند اما DNA پلیمراز ها نمی توانند. بنابراین در طی همانند سازی DNA الیگونوکلئوتید ها ( پرایمر ) باید توسط یک آنزیم دیگر ساخته شود.

واکنش شیمیایی که توسط RNA پلیمراز کاتالیز می شود در شکل 4-B-2 نشان داده شده است. نوکلئوتید هایی که برای افزایش طول رشته RNA مورد استفاده قرار می گیرند ، ریبونوکلئوزید تری فسفات ها ( NTPs ) هستند. در طی واکنش دو گروه فسفات به عنوان گروه پیروفسفات ( PPi ) رها می شوند. همیشه جهت پیشرفت از 5َ به 3َ می باشد. گروه پیروفسفات نوکلئوتید اول در انتهای 5َ در سر جای خود باقی می ماند.

شکل 4-B-2 : واکنش شیمیایی که توسط RNA پلیمراز ها کاتالیز می شود.

 

شکل 4-B-3 : طرح ساده ای از افزایش طول رشته ها. خطوط عمودی نشان دهنده پنتوز و خطوط کج نشان دهنده پیوند فسفو دی استر می باشند. باز ها توسط علائم N1 , N2  و .. نشان داده شده اند.

 

کلاس های RNA پلیمراز ها :

 

E.coli  

RNA پلیمراز E.coli از پنج زیر واحد تشکیل شده است : دو زیر واحد α ، یک زیر واحد b ، یک زیر واحد b' و زیر واحد s .  b (151 kD)  و b' (156 kD) به طور قابل توجهی از a (37 kD) بزرگ تر هستند. چندین شکل مختلف از زیر واحد s شناخته شده اند ؛ که دارای مقدار وزن مولکولی بین 28 تا 70 کیلو دالتن می باشند. زیر واحد s را همچنین به نام فاکتور s نیز می نامند. این زیر واحد نقش مهمی را در شناسایی سایت آغاز رونویسی ایفا می کند. همچنین این فاکتور دارای فعالیت هلیکازی جهت باز کردن DNA دو رشته ای می باشد. سنتز نوکلئوتید ها توسط سایر چهار زیر واحد دیگر ادامه می یابد ، که این چهار زیر واحد را با هم هسته پلیمراز می نامند. اصلاح هولو آنزیم به آنزیم کامل و دارای فعالیت اطلاق می شود. در این نمونه هولو آنزیم شامل هسته پلیمرازی و فاکتور s می باشد.

 

یوکاریوت ها

سه نوع RNA پلیمراز یوکاریوتی وجود دارد : I ، II و III . هر کدام از آن ها دارای دو زیر واحد بزرگ و 12 تا 15 زیر واحد کوچک می باشند. دو زیر واحد بزرگ با زیر واحد های  b  و b' ( E.coli ) مشابه ( همولوگ ) هستند. دو زیر واحد کوچک مشابه زیر واحد a در E.coli می باشند. با این وجود ، RNA پلیمراز یوکاریوتی دارای زیر واحدی مشابه با فاکتور s E.coli نمی باشد. بنابراین آغاز رونویسی در یوکاریوت ها توسط پروتئین های دیگری انجام می گیرد.

RNA پلیمراز II درگیر رونویسی از تمام ژن های پروتئین ها و اغلب ژن های snRNA ها می باشد. بدون شک این RNA پلیمراز در میان سه نوع RNA پلیمراز دارای اهمیت بیشتری می باشد. دو کلاس دیگر فقط ژن های RNA را رونویسی می کنند. RNA پلیمراز I در هسته واقع شده و از روی ژن های rRNA به جز 5srRNA رونویسی می کند. RNA پلیمراز III در بیرون از هسته قرار دارد و ژن های 5sRNA , tRNA , U6snRNA و برخی از ژن های RNA های کوچک را رونویسی می کند.

 

فصل 4 - بخش B ( نگاه کلی به رونویسی )

نگاه کلی به رونویسی ( Transcription )

رونویسی فرآیندی است که در طی ان از یک رشته DNA به عنوان الگو برای سنتز یک رشته RNA مکمل استفاده می شود. به مثال زیر توجه کنید :

دقت کنید که تمام یوراسل های RNA با آدنین DNA جفت شده اند. چندین اسم مختلف برای رشته های DNA وجود دارد. رشته DNA ای که الگو را آماده می کند را رشته الگو ، رشته منفی و یا رشته antisense مینامند . رشته دیگر DNA را رشته غیر الگو ، رشته کدینگ ، رشته مثبت و یا رشته sense می نامند. بنابراین رشته DNA کدینگ و رشته RNA  هر دو مکمل رشته الگو هستند ، آن ها دارای سکانس های مشابهی هستند البته به جز این که T در رشته DNA کدینگ در رشته RNA توسط U جایگزین می شود.

شکل 4-B-1 . نمایش شماتیک رونویسی. ( a ) DNA قبل از رونویسی . ( b ) زمان رونویسی ، DNA از هم باز می شود و یکی از رشته ها به عنوان الگو برای سنتز RNA مکمل استفاده می شود.

جهت رشد ( سنتز ) رشته های نوکلئوتید همیشه از 5َ به 3َ می باشد. این اصل فقط برای سنتز RNA در زمان رونویسی نیست بلکه همچنین برای سنتز DNA در زمان همانند سازی نیز می باشد. آنزیم هایی ( که پلیمراز نامیده می شوند ) برای کاتالیز سنتز رشته های نوکلئوتید اسید به کار می روند. رشته RNA توسط RNA پلیمراز ها سنتز می شود. رشته DNA توسط DNA پلیمراز ها سنتز می شود.

اتصال پلیمراز ها به سایت اتصال . سکانس های DNA ای که دارای سیگنال آغاز رونویسی هستند را پروموتور می نامند. پلیمراز های پروکاریوتی می توانند پروموتور را بشناسند و به آن متصل شوند ، اما پلیمراز های یوکاریوتی برای انجام این عمل وابسته به پروتئین هایی هستند که فاکتور های رونویسی خوانده می شوند.

باز شدن ( melting ) مارپیچ DNA دو رشته ای ( شکل 4-B-1 ) آنزیمی که می تواند DNA دو رشته ای را از هم باز کند را هلیکاز می نامند. پلیمراز های پروکاریوتی دارای خاصیت هلیکازی می باشند اما پلیمراز های یوکاریوتی فاقد این خاصیت هستند. باز شدن DNA یوکاریوتی توسط فاکتور های خاص رونویسی انجام می گیرد.

سنتز RNA بر اساس توالی های رشته DNA الگو. RNA پلیمراز ها از نوکلئوزید های تری فسفات ( NTPs ) برای ساخت رشته RNA  استفاده می کنند.

 

 I. پایان سنتز. پروکاریوت ها و یوکاریوت ها از سیگنال های متفاوتی برای خاتمه رونویسی استفاده می کنند. ( نکته : کدون stop در کد های ژنتیکی ، سیگنالی برای خاتمه سنتز پپتید ها می باشند و نه سیگنال خاتمه رونویسی )

 

رونویسی در یوکاریوت ها بسیار پیچیده تر از پروکاریوت هاست ، شاید دلیل آن به این علت باشد که DNA یوکاریوتی به هیستون ها متصل می باشد و همین علت سبب کندی و ممانعت دسترسی پلیمراز ها به پروموتور می شود.

 

 

فصل 4 - بخش A ( خلاصه ای از بیان ژنی )

خلاصه ای از بیان ژنی

یک ارگانیسم ممکن است دارای انواع مختلفی از سلول های سوماتیک باشد ، که هر کدام دارای شکل و عمل مشخص می باشند. با این وجود ، همه آن ها دارای ژنوم مشابه هستند. ژن های موجود در ژنوم تا زمانی که بیان نشوند بر روی فعالیت های سلولی اثر نمی گذارند. سلول های مختلف ، مجموع ژن های مختلفی را بیان می کنند ، بنابراین شکل های مختلف و اعمال مختلف را بروز می دهند.

شکل 4-A-1 : مراحل ضروری برای بیان ژن های پروتئین ها

 

بیان ژنی در سلول به معنی تولید پروتئین یا RNA کاربردی از ژن هایش می باشد. این عمل نیازمند چند مرحله می باشد :

•  رونویسی ( Transcription ) : رشته های DNA به عنوان الگو برای سنتز RNA های مکمل که رونوشت های اولیه ( primary transcript )خوانده می شوند ،  مورد استفاده قرار می گیرند.
• پردازش RNA : این مرحله شامل تغییرات رونوشت اولیه برای تولید mRNA بالغ ( برای ژن های پروتئینی ) یا تولید tRNA یا rRNA کاربردی می باشد.
• انتقال از هسته : mRNA از هسته به سیتوپلاسم برای سنتز پروتئین انتقال می یابد

• سنتز پروتئین : در سیتوپلاسم ، mRNA به ریبوزوم ها متصل شده که آنها می توانند بر اساس توالی های mRNA رشته های پلی پپتیدی را تولید کنند.

 

اصل اولیه ( The central dogma )

بر طبق آنچه که در بالا شرح داده شد ، اطلاعات ژنتیکی مسیر زیر را طی می کنند :

 

DNA > RNA > Protein

این قانون به عنوان اصل اولیه شناخته شده است ، به این علت که بیان کننده قوانین مشابهی است که برای تمام ارگانیسم ها صدق می کند. با این حال ، ما می دانیم که در RNA های ویروسی این جریان اطلاعات ژنتیکی از RNA شروع می شود.