In tutti gli organismi (ad eccezione di alcuni virus), l'implementazione del materiale genetico avviene secondo il sistema DNA-RNA-proteina. Nella prima fase, l'informazione viene riscritta (trascritta) da un acido nucleico all' altro. Le proteine che regolano questo processo sono chiamate fattori di trascrizione.
Cos'è la trascrizione
La trascrizione è la biosintesi di una molecola di RNA basata su un modello di DNA. Ciò è possibile grazie alla complementarità di alcune basi azotate che compongono gli acidi nucleici. La sintesi è effettuata da enzimi specializzati - le RNA polimerasi ed è controllata da molte proteine regolatrici.
L'intero genoma non viene trascritto in una volta, ma solo una parte di esso, chiamata trascrizione. Quest'ultimo include un promotore (il sito di attacco della RNA polimerasi) e un terminatore (una sequenza che attiva il completamento della sintesi).
Il trascritto procariotico è un operone costituito da diversi geni strutturali (cistroni). Sulla base di esso, viene sintetizzato l'RNA policistronico,contenente informazioni sulla sequenza amminoacidica di un gruppo di proteine funzionalmente correlate. La trascrizione eucariotica contiene un solo gene.
Il ruolo biologico del processo di trascrizione è la formazione di sequenze di RNA stampo, sulla base delle quali nei ribosomi viene effettuata la sintesi proteica (traduzione).
Sintesi di RNA in procarioti ed eucarioti
Lo schema di sintesi dell'RNA è lo stesso per tutti gli organismi e comprende 3 fasi:
- Inizio - attacco della polimerasi al promotore, attivazione del processo.
- Allungamento - estensione della catena nucleotidica nella direzione da 3' a 5' termina con la chiusura dei legami fosfodiestere tra basi azotate, selezionate complementari ai monomeri del DNA.
- La conclusione è il completamento del processo di sintesi.
Nei procarioti, tutti i tipi di RNA sono trascritti da una RNA polimerasi, costituita da cinque protomeri (β, β', ω e due subunità α), che insieme formano un enzima centrale in grado di aumentare la catena dei ribonucleotidi. Esiste anche un'unità aggiuntiva σ, senza la quale l'attacco della polimerasi al promotore è impossibile. Il complesso del nucleo e del fattore sigma è chiamato oloenzima.
Nonostante il fatto che la subunità σ non sia sempre associata al core, è considerata parte della RNA polimerasi. Nello stato dissociato, sigma non è in grado di legarsi al promotore, solo come parte dell'oloenzima. Dopo il completamento dell'iniziazione, questo protomero si separa dal nucleo, venendo sostituito da un fattore di allungamento.
Funzioneprocarioti è una combinazione di processi di traduzione e trascrizione. I ribosomi si uniscono immediatamente all'RNA che inizia a essere sintetizzato e costruiscono una catena di amminoacidi. La trascrizione si interrompe a causa della formazione di una struttura a forcella nella regione del terminatore. In questa fase, il complesso DNA-polimerasi-RNA si rompe.
Nelle cellule eucariotiche, la trascrizione è effettuata da tre enzimi:
- RNA polimerasi l – sintetizza l'RNA ribosomiale 28S e 18S.
- RNA polimerasi ll – trascrive geni che codificano per proteine e piccoli RNA nucleari.
- RNA polimerasi lll - responsabile della sintesi di tRNA e 5S rRNA (piccola subunità dei ribosomi).
Nessuno di questi enzimi è in grado di avviare la trascrizione senza la partecipazione di proteine specifiche che forniscono interazione con il promotore. L'essenza del processo è la stessa dei procarioti, ma ogni fase è molto più complicata con la partecipazione di un numero maggiore di elementi funzionali e regolatori, compresi quelli che modificano la cromatina. Nella sola fase di iniziazione, sono coinvolte un centinaio di proteine, tra cui una serie di fattori di trascrizione, mentre nei batteri una subunità sigma è sufficiente per legarsi al promotore e talvolta è necessario l'aiuto di un attivatore.
Il contributo più importante del ruolo biologico della trascrizione nella biosintesi di vari tipi di proteine determina la necessità di un rigido sistema di controllo della lettura dei geni.
Regolamento trascrizionale
In nessuna cellula viene realizzato il materiale genetico per intero: solo una parte dei geni viene trascritta, mentre il resto è inattivo. Questo è possibile grazie al complessomeccanismi regolatori che determinano da quali segmenti di DNA e in quale quantità verranno sintetizzate le sequenze di RNA.
Negli organismi unicellulari, l'attività differenziale dei geni ha un valore adattativo, mentre negli organismi multicellulari determina anche i processi di embriogenesi e ontogenesi, quando diversi tipi di tessuti si formano sulla base di un genoma.
L'espressione genica è controllata a diversi livelli. Il passaggio più importante è la regolazione della trascrizione. Il significato biologico di questo meccanismo è mantenere la quantità richiesta di varie proteine richieste da una cellula o da un organismo in un particolare momento dell'esistenza.
C'è un aggiustamento della biosintesi ad altri livelli, come l'elaborazione, la traduzione e il trasporto dell'RNA dal nucleo al citoplasma (quest'ultimo è assente nei procarioti). Quando regolati positivamente, questi sistemi sono responsabili della produzione di una proteina basata sul gene attivato, che è il significato biologico della trascrizione. Tuttavia, in qualsiasi momento la catena può essere sospesa. Alcune caratteristiche regolatorie negli eucarioti (promotori alternativi, splicing, modifica dei siti di poliadenellazione) portano alla comparsa di diverse varianti di molecole proteiche basate sulla stessa sequenza di DNA.
Poiché la formazione dell'RNA è il primo passo nella decodifica dell'informazione genetica sulla via della biosintesi proteica, il ruolo biologico del processo di trascrizione nella modifica del fenotipo cellulare è molto più significativo della regolazione dell'elaborazione o della traduzione.
Determinazione dell'attività di geni specifici come insia nei procarioti che negli eucarioti, si verifica nella fase di iniziazione con l'aiuto di interruttori specifici, che includono regioni regolatorie del DNA e fattori di trascrizione (TF). Il funzionamento di tali interruttori non è autonomo, ma è sotto lo stretto controllo di altri sistemi cellulari. Esistono anche meccanismi di regolazione non specifica della sintesi dell'RNA, che assicurano il normale passaggio di inizio, allungamento e terminazione.
Il concetto di fattori di trascrizione
A differenza degli elementi regolatori del genoma, i fattori di trascrizione sono chimicamente proteine. Legandosi a specifiche regioni del DNA, possono attivare, inibire, accelerare o rallentare il processo di trascrizione.
A seconda dell'effetto prodotto, i fattori di trascrizione di procarioti ed eucarioti possono essere divisi in due gruppi: attivatori (iniziano o aumentano l'intensità della sintesi dell'RNA) e repressori (sopprimono o inibiscono il processo). Attualmente sono stati trovati più di 2000 TF in vari organismi.
Regolazione trascrizionale nei procarioti
Nei procarioti, il controllo della sintesi dell'RNA avviene principalmente nella fase di iniziazione a causa dell'interazione di TF con una specifica regione del trascritto - un operatore che si trova accanto al promotore (a volte intersecandolo) e, infatti, è un sito di atterraggio per la proteina regolatrice (attivatore o repressore). I batteri sono caratterizzati da un altro modo di controllo differenziale dei geni: la sintesi di subunità σ alternative destinate a diversi gruppi di promotori.
Espressione parzialmente operonicapuò essere regolato nelle fasi di allungamento e terminazione, ma non a causa dei TF che legano il DNA, ma a causa delle proteine che interagiscono con l'RNA polimerasi. Questi includono le proteine Gre e i fattori anti-terminatori Nus e RfaH.
L'allungamento e la fine della trascrizione nei procarioti sono in un certo modo influenzati dalla sintesi proteica parallela. Negli eucarioti, sia questi processi stessi che i fattori di trascrizione e traduzione sono spazialmente separati, il che significa che non sono funzionalmente correlati.
Attivatori e repressori
I procarioti hanno due meccanismi di regolazione della trascrizione nella fase iniziale:
- positivo - svolto dalle proteine attivatrici;
- negativo - controllato dai repressori.
Quando il fattore è regolato positivamente, l'attaccamento del fattore all'operatore attiva il gene, e quando è negativo, al contrario, lo spegne. La capacità di una proteina regolatrice di legarsi al DNA dipende dall'attaccamento di un ligando. Il ruolo di questi ultimi è solitamente svolto da metaboliti cellulari a basso peso molecolare, che in questo caso agiscono come coattivatori e corepressori.
Il meccanismo d'azione del repressore si basa sulla sovrapposizione delle regioni promotrici e operatrici. Negli operoni con questa struttura, l'attaccamento di un fattore proteico al DNA chiude parte del sito di atterraggio della RNA polimerasi, impedendo a quest'ultima di iniziare la trascrizione.
Gli attivatori funzionano su promotori deboli e a bassa funzionalità che sono scarsamente riconosciuti dalle RNA polimerasi o sono difficili da fondere (filamenti di elica separatiDNA necessario per avviare la trascrizione). Unendosi all'operatore, il fattore proteico interagisce con la polimerasi, aumentando notevolmente la probabilità di inizio. Gli attivatori sono in grado di aumentare l'intensità della trascrizione di 1000 volte.
Alcuni TF procariotici possono agire sia come attivatori che come repressori a seconda della posizione dell'operatore rispetto al promotore: se queste regioni si sovrappongono, il fattore inibisce la trascrizione, altrimenti si innesca.
| Funzione ligando rispetto al fattore | Stato legante | Regolamento negativo | Regolamento positivo |
| Fornisce la separazione dal DNA | Partecipare | Rimozione della proteina repressore, attivazione del gene | Rimozione della proteina attivatore, spegnimento del gene |
| Aggiunge fattore al DNA | Elimina | Rimozione del repressore, inclusione della trascrizione | Rimuovi attivatore, disattiva la trascrizione |
La regolazione negativa può essere considerata sull'esempio dell'operone triptofano del batterio E. coli, che è caratterizzato dalla posizione dell'operatore all'interno della sequenza del promotore. La proteina repressore viene attivata dall'attaccamento di due molecole di triptofano, che cambiano l'angolo del dominio di legame del DNA in modo che possa entrare nel solco maggiore della doppia elica. A una bassa concentrazione di triptofano, il repressore perde il suo ligando e diventa di nuovo inattivo. In altre parole, la frequenza di inizio della trascrizioneinversamente proporzionale alla quantità di metabolita.
Alcuni operoni batterici (ad esempio il lattosio) combinano meccanismi regolatori positivi e negativi. Un tale sistema è necessario quando un segnale non è sufficiente per il controllo razionale dell'espressione. Pertanto, l'operone del lattosio codifica per enzimi che trasportano nella cellula e quindi scompongono il lattosio, una fonte di energia alternativa meno redditizia del glucosio. Pertanto, solo a una bassa concentrazione di quest'ultimo, la proteina CAP si lega al DNA e inizia la trascrizione. Tuttavia, ciò è consigliabile solo in presenza di lattosio, la cui assenza porta all'attivazione del Lac repressor, che blocca l'accesso della polimerasi al promotore anche in presenza di una forma funzionale della proteina attivatrice.
A causa della struttura dell'operone nei batteri, diversi geni sono controllati da una regione regolatoria e 1-2 TF, mentre negli eucarioti, un singolo gene ha un gran numero di elementi regolatori, ognuno dei quali dipende da molti altri fattori. Questa complessità corrisponde all' alto livello di organizzazione degli eucarioti, e in particolare degli organismi multicellulari.
Regolazione della sintesi di mRNA negli eucarioti
Il controllo dell'espressione genica eucariotica è determinato dall'azione combinata di due elementi: i fatti di trascrizione proteica (TF) e le sequenze di DNA regolatorio che possono trovarsi accanto al promotore, molto più in alto di esso, negli introni o dopo il gene (che significa la regione codificante, e non un gene nel suo significato completo).
Alcune aree fungono da interruttori, altre non interagisconodirettamente con TF, ma conferiscono alla molecola di DNA la flessibilità necessaria per la formazione di una struttura ad anello che accompagna il processo di attivazione trascrizionale. Tali regioni sono chiamate spaziatori. Tutte le sequenze regolatorie insieme al promotore costituiscono la regione di controllo genico.
Vale la pena notare che l'azione degli stessi fattori di trascrizione è solo una parte di una complessa regolazione multilivello dell'espressione genetica, in cui un numero enorme di elementi si somma al vettore risultante, che determina se l'RNA eventualmente essere sintetizzato da una particolare regione del genoma.
Un ulteriore fattore nel controllo della trascrizione nella cellula nucleare è un cambiamento nella struttura della cromatina. Qui sono presenti sia la regolazione totale (fornita dalla distribuzione delle regioni dell'eterocromatina e dell'eucromatina) sia la regolazione locale associata a un gene specifico. Affinché la polimerasi funzioni, tutti i livelli di compattazione del DNA, incluso il nucleosoma, devono essere eliminati.
La diversità dei fattori di trascrizione negli eucarioti è associata a un gran numero di regolatori, che includono amplificatori, silenziatori (potenziatori e silenziatori), nonché elementi adattatori e isolanti. Questi siti possono essere localizzati sia vicino che a notevole distanza dal gene (fino a 50 mila bp).
Miglioratori, silenziatori ed elementi adattatori
I potenziatori sono brevi DNA sequenziali in grado di innescare la trascrizione quando interagiscono con una proteina regolatrice. Approssimazione dell'amplificatore alla regione del promotore del geneviene effettuato a causa della formazione di una struttura ad anello di DNA. Il legame di un attivatore con un potenziatore stimola l'assemblaggio del complesso di iniziazione o aiuta la polimerasi a procedere all'allungamento.
L'enhancer ha una struttura complessa e consiste in diversi siti di moduli, ognuno dei quali ha la propria proteina regolatrice.
I silenziatori sono regioni del DNA che sopprimono o escludono completamente la possibilità di trascrizione. Il meccanismo di funzionamento di un tale interruttore è ancora sconosciuto. Uno dei metodi ipotizzati è l'occupazione di vaste regioni di DNA da parte di proteine speciali del gruppo SIR, che bloccano l'accesso ai fattori di iniziazione. In questo caso, tutti i geni che si trovano entro poche migliaia di coppie di basi dal silenziatore vengono disattivati.
Gli elementi adattatori in combinazione con i TF che si legano ad essi costituiscono una classe separata di interruttori genetici che rispondono selettivamente agli ormoni steroidei, all'AMP ciclico e ai glucocorticoidi. Questo blocco normativo è responsabile della risposta della cellula allo shock termico, all'esposizione a metalli e ad alcuni composti chimici.
Tra le regioni di controllo del DNA, si distingue un altro tipo di elementi: gli isolanti. Queste sono sequenze specifiche che impediscono ai fattori di trascrizione di influenzare i geni distanti. Il meccanismo d'azione degli isolanti non è stato ancora chiarito.
Fattori di trascrizione eucariotica
Se i fattori di trascrizione nei batteri hanno solo una funzione regolatoria, allora nelle cellule nucleari c'è un intero gruppo di TF che forniscono l'inizio del background, ma allo stesso tempo dipendono direttamente dal legame conProteine regolatrici del DNA. Il numero e la varietà di questi ultimi negli eucarioti è enorme. Pertanto, nel corpo umano, la proporzione di sequenze che codificano per i fattori di trascrizione delle proteine è circa il 10% del genoma.
Ad oggi, i TF eucariotici non sono ben compresi, così come i meccanismi di funzionamento degli interruttori genetici, la cui struttura è molto più complicata dei modelli di regolazione positiva e negativa nei batteri. A differenza di quest'ultimo, l'attività dei fattori di trascrizione delle cellule nucleari è influenzata non da uno o due, ma da decine e persino centinaia di segnali che possono rafforzarsi, indebolirsi o escludersi a vicenda.
Da un lato, l'attivazione di un particolare gene richiede un intero gruppo di fattori di trascrizione, ma dall' altro una proteina regolatrice può essere sufficiente per innescare l'espressione di diversi geni mediante il meccanismo a cascata. L'intero sistema è un computer complesso che elabora segnali provenienti da diverse sorgenti (sia esterne che interne) e aggiunge i loro effetti al risultato finale con un segno più o meno.
I fattori di trascrizione regolatori negli eucarioti (attivatori e repressori) non interagiscono con l'operatore, come nei batteri, ma con siti di controllo sparsi sul DNA e influenzano l'iniziazione attraverso intermediari, che possono essere proteine mediatrici, fattori del complesso di iniziazione ed enzimi che modificano la struttura della cromatina.
Con l'eccezione di alcuni TF inclusi nel complesso di pre-iniziazione, tutti i fattori di trascrizione hanno un dominio di legame al DNA che distingueli da numerose altre proteine che assicurano il normale passaggio della trascrizione o fungono da intermediari nella sua regolazione.
Studi recenti hanno dimostrato che i TF eucariotici possono influenzare non solo l'inizio ma anche l'allungamento della trascrizione.
Varietà e classificazione
Negli eucarioti ci sono 2 gruppi di fattori di trascrizione delle proteine: basali (altrimenti chiamati generali o principali) e regolatori. Ai primi spetta il riconoscimento dei promotori e la creazione del complesso pre-iniziativo. Necessario per iniziare la trascrizione. Questo gruppo comprende diverse dozzine di proteine che sono sempre presenti nella cellula e non influenzano l'espressione differenziale dei geni.
Il complesso dei fattori di trascrizione basale è uno strumento simile nella funzione alla subunità sigma nei batteri, solo più complesso e adatto a tutti i tipi di promotori.
Fattori di altro tipo influenzano la trascrizione attraverso l'interazione con le sequenze di DNA regolatorio. Poiché questi enzimi sono specifici del gene, ce ne sono un numero enorme. Legandosi a regioni di geni specifici, controllano la secrezione di determinate proteine.
La classificazione dei fattori di trascrizione negli eucarioti si basa su tre principi:
- meccanismo d'azione;
- condizioni di funzionamento;
- struttura del dominio di legame al DNA.
Secondo la prima caratteristica, ci sono 2 classi di fattori: basali (interagiscono con il promotore) e si legano alle regioni a monte (regioni regolatorie situate a monte del gene). Questo tipola classificazione corrisponde essenzialmente alla divisione funzionale di TF in generale e specifico. I fattori a monte sono divisi in 2 gruppi a seconda della necessità di un'ulteriore attivazione.
In base alle caratteristiche di funzionamento, i TF costitutivi si distinguono (sempre presenti in qualsiasi cellula) e inducibili (non caratteristici di tutti i tipi cellulari e possono richiedere alcuni meccanismi di attivazione). I fattori del secondo gruppo, a loro volta, sono divisi in cellula-specifici (partecipano all'ontogenesi, sono caratterizzati da un rigoroso controllo dell'espressione, ma non richiedono attivazione) e dipendenti dal segnale. Questi ultimi si differenziano in base al tipo e alla modalità di azione del segnale di attivazione.
La classificazione strutturale dei fattori di trascrizione delle proteine è molto ampia e comprende 6 superclassi, che includono molte classi e famiglie.
Principio di funzionamento
Il funzionamento dei fattori basali è un assemblaggio a cascata di varie subunità con la formazione di un complesso di iniziazione e l'attivazione della trascrizione. In effetti, questo processo è il passaggio finale nell'azione della proteina attivatore.
Fattori specifici possono regolare la trascrizione in due fasi:
- assemblaggio del complesso di iniziazione;
- transizione all'allungamento produttivo.
Nel primo caso, il lavoro di specifici TF si riduce al riarrangiamento primario della cromatina, nonché al reclutamento, orientamento e modifica del mediatore, della polimerasi e dei fattori basali sul promotore, che porta all'attivazione di trascrizione. L'elemento principale della trasmissione del segnale è il mediatore, un complesso di 24 subunità che agisconocome intermediario tra la proteina regolatrice e l'RNA polimerasi. La sequenza delle interazioni è individuale per ciascun gene e il suo fattore corrispondente.
La regolazione dell'allungamento avviene grazie all'interazione del fattore con la proteina P-Tef-b, che aiuta l'RNA polimerasi a superare la pausa associata al promotore.
Strutture funzionali di TF
I fattori di trascrizione hanno una struttura modulare e svolgono il loro lavoro attraverso tre domini funzionali:
- DNA-binding (DBD) - necessario per il riconoscimento e l'interazione con la regione regolatoria del gene.
- Trans-attivazione (TAD) – consente l'interazione con altre proteine regolatrici, inclusi i fattori di trascrizione.
- Riconoscimento del segnale (SSD) - richiesto per la percezione e la trasmissione di segnali regolatori.
A sua volta, il dominio di legame del DNA ha molti tipi. I motivi principali nella sua struttura includono:
- "dita di zinco";
- dominio;
- "β"-strati;
- cicli;
- "fulmine di leucina";
- spirale-spirale;
- spirale-giro-spirale.
Grazie a questo dominio, il fattore di trascrizione "legge" la sequenza nucleotidica del DNA sotto forma di un pattern sulla superficie della doppia elica. Per questo motivo è possibile il riconoscimento specifico di alcuni elementi normativi.
L'interazione dei motivi con l'elica del DNA si basa sull'esatta corrispondenza tra le superfici di questimolecole.
Regolazione e sintesi di TF
Ci sono diversi modi per regolare l'influenza dei fattori di trascrizione sulla trascrizione. Questi includono:
- attivazione - un cambiamento nella funzionalità del fattore in relazione al DNA dovuto alla fosforilazione, all'attaccamento del ligando o all'interazione con altre proteine regolatrici (compreso il TF);
- traslocazione - trasporto di un fattore dal citoplasma al nucleo;
- disponibilità del sito di legame - dipende dal grado di condensazione della cromatina (nello stato di eterocromatina, il DNA non è disponibile per TF);
- un complesso di meccanismi caratteristici anche di altre proteine (regolazione di tutti i processi dalla trascrizione alla modificazione post-traduzionale e alla localizzazione intracellulare).
L'ultimo metodo determina la composizione quantitativa e qualitativa dei fattori di trascrizione in ciascuna cellula. Alcuni TF sono in grado di regolare la loro sintesi secondo il tipo classico di feedback, quando il proprio prodotto diventa un inibitore della reazione. In questo caso, una certa concentrazione del fattore interrompe la trascrizione del gene che lo codifica.
Fattori di trascrizione generali
Questi fattori sono necessari per avviare la trascrizione di qualsiasi gene e sono designati nella nomenclatura come TFl, TFll e TFlll a seconda del tipo di RNA polimerasi con cui interagiscono. Ogni fattore è costituito da diverse subunità.
Le TF basali svolgono tre funzioni principali:
- posizione corretta della RNA polimerasi sul promotore;
- svolgimento delle catene di DNA nella regione di inizio della trascrizione;
- liberazione della polimerasi dapromotore al momento del passaggio all'allungamento;
Alcune subunità dei fattori di trascrizione basali si legano agli elementi regolatori del promotore. La più importante è la scatola TATA (non caratteristica di tutti i geni), situata a una distanza di "-35" nucleotidi dal punto di inizio. Altri siti di legame includono le sequenze INR, BRE e DPE. Alcuni TF non contattano direttamente il DNA.
Il gruppo dei principali fattori di trascrizione della RNA polimerasi ll include TFllD, TFllB, TFllF, TFllE e TFllH. La lettera latina alla fine della designazione indica l'ordine di rilevamento di queste proteine. Pertanto, il fattore TFlllA, che appartiene alla lll RNA polimerasi, è stato il primo ad essere isolato.
| Nome | Numero di subunità proteiche | Funzione |
| TFllD | 16 (TBP +15 TAF) | Il TBP si lega al box TATA e i TAF riconoscono le altre sequenze del promotore |
| TFllB | 1 | Riconosce l'elemento BRE, orienta accuratamente la polimerasi nel sito di inizio |
| TFllF | 3 | Stabilizza l'interazione della polimerasi con TBP e TFllB, facilita l'attaccamento di TFllE e TFllH |
| TFllE | 2 | Collega e regola TFllH |
| TFllH | 10 | Separa le catene di DNA nel punto di inizio, libera l'enzima sintetizzatore dell'RNA dal promotore e dai principali fattori di trascrizione (biochimicail processo si basa sulla fosforilazione del dominio Cer5-C-terminale della RNA polimerasi) |
L'assemblaggio del TF basale avviene solo con l'assistenza di un attivatore, un mediatore e proteine che modificano la cromatina.
TF specifico
Attraverso il controllo dell'espressione genetica, questi fattori di trascrizione regolano i processi biosintetici sia delle singole cellule che dell'intero organismo, dall'embriogenesi al fine adattamento fenotipico alle mutevoli condizioni ambientali. La sfera di influenza della TF comprende 3 blocchi principali:
- sviluppo (embrione e ontogenesi);
- ciclo cellulare;
- risposta a segnali esterni.
Uno speciale gruppo di fattori di trascrizione regola la differenziazione morfologica dell'embrione. Questo set proteico è codificato da una speciale sequenza consenso di 180 bp chiamata homeobox.
Per determinare quale gene deve essere trascritto, la proteina regolatrice deve "trovare" e legarsi a uno specifico sito del DNA che agisca da interruttore genetico (potenziatore, silenziatore, ecc.). Ciascuna di queste sequenze corrisponde a uno o più fattori di trascrizione correlati che riconoscono il sito desiderato per la coincidenza delle conformazioni chimiche di un particolare segmento esterno dell'elica e del dominio di legame del DNA (principio del blocco della chiave). Per il riconoscimento viene utilizzata una regione della struttura primaria del DNA chiamata solco maggiore.
Dopo il legame con l'azione del DNAla proteina attivatrice innesca una serie di passaggi successivi che portano all'assemblaggio del complesso preiniziatore. Lo schema generalizzato di questo processo è il seguente:
- Attivatore che si lega alla cromatina nella regione del promotore, reclutamento di complessi di riarrangiamento ATP-dipendenti.
- Riarrangiamento della cromatina, attivazione delle proteine modificanti gli istoni.
- Modifica covalente degli istoni, attrazione di altre proteine attivatrici.
- Legando ulteriori proteine attivanti alla regione regolatrice del gene.
- Coinvolgimento di un mediatore e TF generale.
- Assemblaggio del complesso di pre-iniziazione sul promotore.
- Influenza di altre proteine attivatrici, riarrangiamento delle subunità del complesso pre-iniziazione.
- Inizia la trascrizione.
L'ordine di questi eventi può variare da gene a gene.
A un così gran numero di meccanismi di attivazione corrisponde una gamma altrettanto ampia di metodi di rimozione. Cioè, inibendo una delle fasi sulla via dell'iniziazione, la proteina regolatrice può ridurne l'efficacia o bloccarla completamente. Molto spesso, il repressore attiva diversi meccanismi contemporaneamente, garantendo l'assenza di trascrizione.
Controllo coordinato dei geni
Nonostante ogni trascrizione abbia un proprio sistema di regolazione, gli eucarioti hanno un meccanismo che permette, come i batteri, di avviare o fermare gruppi di geni volti a svolgere un compito specifico. Ciò è ottenuto da un fattore determinante della trascrizione che completa le combinazioni altri elementi regolatori necessari per la massima attivazione o soppressione del gene.
Nei trascritti soggetti a tale regolazione, l'interazione di diversi componenti porta alla stessa proteina, che funge da vettore risultante. Pertanto, l'attivazione di un tale fattore colpisce più geni contemporaneamente. Il sistema funziona secondo il principio di una cascata.
Lo schema di controllo coordinato può essere considerato sull'esempio della differenziazione ontogenetica delle cellule muscolari scheletriche, i cui precursori sono i mioblasti.
La trascrizione dei geni che codificano per la sintesi delle proteine caratteristiche di una cellula muscolare matura è innescata da uno qualsiasi dei quattro fattori miogenici: MyoD, Myf5, MyoG e Mrf4. Queste proteine attivano la sintesi di se stesse e l'una dell' altra e includono anche i geni per il fattore di trascrizione aggiuntivo Mef2 e le proteine muscolari strutturali. Mef2 è coinvolto nella regolazione dell'ulteriore differenziazione dei mioblasti, mantenendo contemporaneamente la concentrazione di proteine miogeniche mediante un meccanismo di feedback positivo.
