Факторы транскрипции (транскрипционные факторы) — белки́, контролирующие процесс синтеза мРНК, а также других видов РНК [1] на матрице ДНК (транскрипцию) путём связывания со специфичными участками ДНК[2][3]. 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[4][5][6].
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[7][8][9].
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[10].
В геноме человека обнаружено более 2600 белков, имеющих ДНК-связывающий домен, и большинство из них предположительно являются факторами транскрипции[11]. Следовательно, около 10 % всех генов в геноме кодируют транскрипционные факторы. Таким образом, они являются самым большим семейством белков человека[12]. 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[9].
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)[13][14]. 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[15].
Помимо ТФ, необходимых для экспрессии всех генов, существуют также специфичные факторы транскрипции, обеспечивающие включение/выключение определённых генов в нужный момент.
Многие ТФ многоклеточных организмов вовлечены в обеспечение их развития[16]. Действуя в соответствии с генетической программой и/или в ответ на внешние воздействия, они инициируют или подавляют транскрипцию определённых 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[17][18]. 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 полоопределяющего региона Y (SRY, Sex-determining Region Y), который играет важную роль в детерминации пола человека.[19]
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 определённых генов, конечным звеном каскада часто оказываются ТФ[20]. 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[21].
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)[22], фактор, индуцируемый гипоксией (HIF) — при снижении концентрации кислорода[23]; белок SREBP (sterol regulatory element binding protein) помогает поддерживать необходимое содержание липидов в клетках[24].
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.
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 счёт 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[25]. Важные классы ТФ, такие как некоторые ядерные рецепторы, должны сперва связать эндогенныйлиганд-агонист в цитоплазме и только потом транспортироваться в ядро[25].
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[26][27] — 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.
ТФ являются модульными по структуре и содержат следующие домены[2]:
ДНК-связывающий домен (DBD) — взаимодействует со специфичными последовательностями ДНК, характерными для промоторов и энхансеров. Специфичность распознавания определённых последовательностей определяет набор генов, подверженных регуляции данным ТФ;
трансактивирующий домен (TAD) — содержит участки связывания других белков, например, транскрипционных корегуляторов[28];
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 приведён список важнейших семейств ДНК-связывающих доменов/ТФ:
Участки ДНК, которые взаимодействуют с факторами транскрипции, называются сайтами связывания ТФ. Взаимодействие осуществляется за счёт электростатических сил, водородных связей и сил Ван-дер-Ваальса. За счёт корпоративного, стерически детерминированного действия данных сил, которое определяется пространственной структурой белковой молекулы, ТФ связываться только с определёнными 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 определённой 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 протяжённой 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.
В связи с ключевой ролью ТФ в процессе реализации наследственной информации, некоторые заболевания человека могут быть вызваны мутациями в генах ТФ. Ниже приведены некоторые наиболее изученные нарушения подобного рода:
Диабеты. Редкая форма диабета, называемая MODY (Maturity onset diabetes of the young) может быть обусловлена мутациями в генах некоторых ТФ[37].
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[38][39].
Аутоиммунные заболевания. Мутации в гене ТФ FOXP3 связаны с аутоиммунным заболеванием IPEX (immune dysregulation polyendocrinopathy enteropathy X-linked syndrome)[39].
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[40].
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
Конститутивные — присутствуют всегда во всех клетках — главные факторы транскрипции, Sp1, NF1, CCAAT.
Активируемые (активны в определённых условиях)
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.
Сигнал-зависимые — требуют внешнего сигнала для активации
резидентные ядерные факторы — находятся в ядре независимо от активации — CREB, AP-1, Mef2
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[41][42][43].
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[44][45][46][47].
В отличие от транскрипционных факторов на базе цинковых пальцев и TAL-эффектора[англ.], 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[48]).
Karin M.Too many transcription factors: positive and negative interactions(англ.)// New Biol.: journal.— 1990.— Vol. 2, no. 2.— P. 126—131.— PMID2128034.
Roeder R.G.The role of general initiation factors in transcription by RNA polymerase II(англ.)// Trends Biochem. Sci.[англ.]: journal.— 1996.— Vol. 21, no. 9.— P. 327—335.— doi:10.1016/0968-0004(96)10050-5.— PMID8870495.
Brivanlou A.H., Darnell J.E.Signal transduction and the control of gene expression(англ.)// Science: journal.— 2002.— Vol. 295, no. 5556.— P. 813—818.— doi:10.1126/science.1066355.— PMID11823631.
Thomas M.C., Chiang C.M.The general transcription machinery and general cofactors(англ.)// Critical reviews in biochemistry and molecular biology: journal.— 2006.— Vol. 41, no. 3.— P. 105—178.— PMID16858867.
Ottolenghi C., Uda M., Crisponi L., Omari S., Cao A., Forabosco A., Schlessinger D.Determination and stability of sex(неопр.)// BioEssays: news and reviews in molecular, cellular and developmental biology.— 2007.— January(т. 29, № 1).— С. 15—25.— doi:10.1002/bies.20515.— PMID17187356.
Pawson T.Signal transduction--a conserved pathway from the membrane to the nucleus(англ.)// Developmental genetics: journal.— 1993.— Vol. 14, no. 5.— P. 333—338.— doi:10.1002/dvg.1020140502.— PMID8293575.
Osborne C.K., Schiff R., Fuqua S.A., Shou J.Estrogen receptor: current understanding of its activation and modulation(англ.)// Clin. Cancer Res.[англ.]: journal.— 2001.— December(vol. 7, no. 12 Suppl).— P. 4338s—4342s; discussion 4411s—4412s.— PMID11916222.
Bohmann D.Transcription factor phosphorylation: a link between signal transduction and the regulation of gene expression(англ.)// Cancer cells (Cold Spring Harbor, N.Y.: 1989): journal.— 1990.— November(vol. 2, no. 11).— P. 337—344.— PMID2149275.
Wintjens R., Rooman M.Structural classification of HTH DNA-binding domains and protein-DNA interaction modes(англ.)// Journal of molecular biology[англ.]: journal.— 1996.— September(vol. 262, no. 2).— P. 294—313.— doi:10.1006/jmbi.1996.0514.— PMID8831795.
Dahl E., Koseki H., Balling R.Pax genes and organogenesis(неопр.)// BioEssays: news and reviews in molecular, cellular and developmental biology.— 1997.— September(т. 19, № 9).— С. 755—765.— doi:10.1002/bies.950190905.— PMID9297966.
Laity J.H., Lee B.M., Wright P.E.Zinc finger proteins: new insights into structural and functional diversity(англ.)// Current opinion in structural biology: journal.— 2001.— February(vol. 11, no. 1).— P. 39—46.— doi:10.1016/S0959-440X(00)00167-6.— PMID11179890.
Lai C.S., Fisher S.E., Hurst J.A., Vargha-Khadem F., Monaco AP.A forkhead-domain gene is mutated in a severe speech and language disorder.(англ.)// Nature: journal.— 2001.— Vol. 413(6855).— P. 519—523.— PMID11586359.
Banerjee-Basu S., Baxevanis A.D.Structural analysis of disease-causing mutations in the P-subfamily of forkhead transcription factors.(англ.)// Proteins: journal.— 2004.— Vol. 54(4).— P. 639—647.— PMID14997560.
Ariffin H., Martel-Planche G., Daud S.S., Ibrahim K., Hainaut P.Li-Fraumeni syndrome in a Malaysian kindred.(неопр.)// Cancer Genet Cytogenet..— 2008.— Т. 186(1).— С. 49—53.— PMID18786442.
Matys V., Kel-Margoulis O.V., Fricke E., Liebich I., Land S., Barre-Dirrie A., Reuter I., Chekmenev D., Krull M., Hornischer K., Voss N., Stegmaier P., Lewicki-Potapov B., Saxel H., Kel A.E., Wingender E.TRANSFAC and its module TRANSCompel: transcriptional gene regulation in eukaryotes(англ.)// Nucleic Acids Res.: journal.— 2006.— Vol. 34, no. Database issue.— P. D108—10.— doi:10.1093/nar/gkj143.— PMID16381825.
