A szabályozó szekvenciák , más néven szekvencia-cis , a nem kódoló DNS részei (genomi szekvenciák, amelyek nem transzlálódnak fehérjévé), és amelyek befolyásolják a gének transzkripcióját . A transzkripciós faktorok , az úgynevezett transz- faktorok ismerik fel őket , amelyek különböző módon működnek, a gén expressziójának növelésével vagy csökkentésével. A szabályozó szekvenciák tehát a transzkripció megindulásának szintjén avatkoznak be a gének expressziójának szabályozásába . A promótereket először is a transzkripció alapvető elemeként azonosítják, ezek az RNS-polimeráz kapcsolódási helyei és az iniciációhoz szükséges általános transzkripciós faktorok . A transzkripciót moduláló régiókat ezután fokozóként azonosították az eukariótákban. Az utóbbiak többnyire a promótertől feljebb helyezkednek el, maga a kódoló szekvencia előtt helyezkedik el . Néha még nagy távolságra is el vannak helyezve, és több mint 10 kb-ot érnek el a transzkripció megindulásának helyétől. A transzkripciós faktorok így indukálhatják a DNS hajtogatását, hogy biztosítsák a kapcsolatot az iniciátor komplextel.
A legtöbb eukarióta gént több szabályozó elem ellenőrzi. Ugyanaz az elem több génre is képes hatni, és egy adott gén az elemek kombinációjának ellenőrzése alatt állhat. A tényezők különböző kombinációi biztosítják az összes gén ellenőrzését és koordinációját.
A szabályozó szekvenciák az emberi genom körülbelül 17% -át, míg a gének ( exonok ) kódoló régiói 2,9% -ot képviselhetnek az ENCODE projekt becslése szerint, amelynek célja az emberi genom minden részének funkcióinak meghatározása. A szabályozó szekvenciákat egykor a nem kódoló DNS részének tekintették, mivel funkcióik rosszul értettek.
Lehetőség van a szabályozó szekvenciák DNS-ének összeolvasztására a kódoló DNS-re egy riporter gén segítségével . Ezután megmérjük a gén expresszióját, általában a termelt fehérje aktivitásával. Lehetséges a DNS-darabok ( linker pásztázó mutációk ) helyettesítése egy promóterben is, amely lehetővé teszi a szabályozásban részt vevő elemek jellemzését. A specifikus nukleotidok mutációja lehetővé teszi az érintett motívumok pontos jellemzését.
A prokariótákban az operonok fő szabályozó szekvenciái a promoterek és az operátorok.
A különböző promóter régiók szekvenciájának elemzéséből konszenzus szekvenciákat hoztak létre, amelyeknek több fajtája van. Az egyik legismertebb bakteriális promoter 6 nukleotid két konzervált szekvenciájából áll, amelyeket 17-19 nem konzervált nukleotid választ el. Ezeket -10 (nukleotidszekvencia: TATAAT) és -35 (nukleotidszekvencia: TTGACA) dobozoknak nevezzük, a számok a transzkripció kezdő helyétől felfelé mutató nukleotidok számát jelentik. Általában minél közelebb van a szekvencia a konszenzushoz, annál erősebb a promóter. Az ebből a promóterből generált transzkriptumok száma egy adott időszakban nagyobb lesz, mivel jobb affinitása van a sigma faktorhoz. Valójában a szigma faktor az, amely specifikusan megköti a gén promóterét, és a gén kezdetén vonzza az RNS polimerázt. A promóter szekvenciák orientálják a faktort, és ezáltal meghatározzák a polimeráz orientációját a DNS-en.
A szabályozó szekvenciákhoz kötődő represszorok vagy aktivátorok, általában operátorok, szintén működhetnek a génexpresszió szabályozásában. A represszorok vagy megakadályozzák az RNS-polimeráz kötődését a promóterhez, vagy pedig immobilizálják azt a helyen, hogy ne kezdhesse meg a transzkripciót. Az aktivátorok növelik a polimeráz affinitását a promoter iránt, és alloszterikusan képesek működni.
Egy jól ismert esetén génszabályozás prokariótákban a laktóz operon az E. coliban .
Az eukariótákban az általános transzkripciós faktorok, amelyeket együttesen TFII-nek nevezünk, lehetővé teszik az RNS-polimeráz asszociációját a promoterrel és a transzkripció megindítását. A mediátor komplex szintén kapcsolatot létesít a polimeráz és a szabályozó szekvenciákhoz kapcsolódó transzkripciós faktorok között.
Az eukarióták promótere általában 2 vagy 3 konzervált szekvenciából áll, amelyeket nem konzervált nukleotidok választanak el egymástól. Az általános transzkripciós faktorok felismerik ezeket a szekvenciákat, és együttesen ugyanazt a szerepet töltik be, mint a szigma faktor a baktériumokban. Az iniciáció előtti komplex kialakulása a TATA doboznál történik, amikor jelen van. Ez egy olyan szekvencia, amely -15 / -35 bázison konzerválódott az elsődleges hellyel szemben, és meghatározza a transzkripció megindulásának helyét.
A fokozó helyeket először Walter Schaffner azonosította 1981-ben, aki az SV40 vírus promoterét tanulmányozta. Megállapítást nyert, hogy ezek a szekvenciák az SV40-től eltérő promótereket stimulálnak, és hogy hatásuk nem függ orientációjuktól, és attól sem, hogy milyen távolság választja el őket a transzkripció megindulásának helyétől.
Az elnyomók többféleképpen léphetnek fel. Vagy közvetlenül, vagy kötőhelyeik megkötésével zavarhatják az aktivátorokat. Kölcsönhatásba léphetnek az iniciációs komplexussal, megakadályozva a polimeráz vagy a transzkripció egyik általános tényezőjének hozzáférését a promóterhez. Fenntarthatják a polimerázt a promóterhez egy fehérje-fehérje kötő domén segítségével. A hiszton-metil-transzferáz és a hiszton-deacetiláz toborzásával kompatibilisek a kromatinnal, és hozzáférhetetlenné teszik a géneket .
AktivátorokSegítik a polimeráz gyenge promóterré történő toborzását (kooperatív kötés), vagy stimulálják a transzkripciót azáltal, hogy konformációs változásokat okoznak az RNS-polimerázban vagy a promoter DNS-ében ( alloszteria ).
Az aktivátorok tipikusan modulárisak, DNS-kötő doménből és aktivációs doménből állnak. A transzkripciós aktivátorok ritkán hatnak közvetlenül az RNS-polimerázra. Közvetve toborozhatják a polimerázt komplexben a mediátorral vagy a transzkripció általános tényezőivel. Beszervezhetnek hisztonmódosító tényezőket, például hiszton-acetil-transzferázt és átalakító komplexeket, amelyek megváltoztatják a kromatint, hogy hozzáférést biztosítsanak a DNS specifikus kötőhelyeihez.
Bizonyos izolátoroknak nevezett fehérjék a promóter és az aktivátora közötti régiókban kötődnek a DNS-hez. Ezek a fehérjék megakadályozzák, hogy az aktivátor egy promóterre hatjon, de egyikük vagy másikuk közvetlen gátlása nélkül.
A Gal4, az élesztő transzkripciós faktora, galaktóz jelenlétében kötődik a SAAG szekvenciához, és a bazális szint 1000-szorosáig aktiválja a galaktóz metabolizmusához szükséges gén, a GAL1 transzkripcióját.
JelzőcsatornákSzámos jelátviteli út nagyban felelős a transzkripciós faktorok szabályozásáért. Egy tipikus emlős sejt több mint száz olyan receptor expresszálására képes, amelyek elsődleges feladata a transzkripciós faktorok aktivitásának szabályozása. Ezen jelátviteli utak közül többet a receptor kináz aktivitás szabályoz, például a TGFβ receptorok és a receptor tirozin kináz (RTK).
A zsírban oldódó hormonok közvetlenül befolyásolhatják a transzkripciós faktorok (nukleáris receptorok) családjának aktivitását, amelyek génreakciókat hoznak létre a szabályozó szekvenciákhoz való kötődés révén.
Az aktívan átírt gének a kromatin dekondenzált területein helyezkednek el, mivel ezek a régiók hozzáférhetőbbek a transzkripciós faktorok számára. Valójában a nukleoszóma-átalakító faktorok a szabályozó szekvenciák szintjén felbonthatják a nukleoszómákat, lehetővé téve a transzkripciós faktorok eljutását a DNS-szálig. Ezután az aktivátorok megakadályozzák a hisztonok általi blokkolást, és lehetővé teszik az RNS-polimeráz toborzását a promóterhez és az ahhoz kapcsolódó tényezőkhöz. A transzkripció során a promoter és az enhanszer régióiban kevesebb nukleoszóma van, ami érzékenyebbé teszi őket a DNS-re, mint a gén többi része. Valójában az aktívan átírt gének szabályozó szekvenciáit DNSáz túlérzékeny helyeknek nevezzük. Az RNS-polimeráz ezután megkezdheti a gén transzkripcióját, miközben szétbontja a nukleoszómákat. A polimeráz szétszerelő ereje a hisztonok acetilezésével és a nem hiszton fehérjékhez (HMG-14 és HMG-17) való kötődéssel lehetséges. Ez utóbbi korlátozza a kromatin kondenzációjáért felelős H1 hiszton kötődését.
Néhány gént a promóter régiójukból származó DNS metilezésével elhallgattatunk . A metilezett szekvenciákat metilezett DNS-kötő fehérjék, például MeCP2 ismerik fel. Ez a fehérje viszont hiszton-dezacetilázokat és hiszton-metilázokat toboroz, amelyek módosítják a kromatint, és lehetetlenné teszik a régió átírását.
A DNS-metiláció a főszereplő a szülői lenyomat létrehozásában, amely mechanizmus révén egy gén expressziója a szülői eredettől függ. A gén két példányának egyikét ezután a metilcsoportok elhallgatják. Az embrió és a méhlepény fejlődésében és növekedésében számos szülői lenyomat alá eső gén vesz részt. Mások részt vesznek a posztnatális fejlődésben, szerepük befolyásolja a szoptatást és az anyagcserét.
A transzkripciós faktorok egy fokozóhoz kötődve segítik a génexpresszió közvetlen irányítását az embrionális fejlődés és a sejtdifferenciálás során. Az eukarióta sejtek valóban sok transzkripciós faktorral rendelkeznek, mivel a többsejtű szervezetek génjeit bonyolult módon fejezik ki. Kifejezésük minden szövetben és a sejtciklus minden szakaszában eltérő. Különösen igaz ez a morfogénekre, amelyek a gének szabályozó szekvenciáira hatnak annak érdekében, hogy sejtválaszokat indukáljanak, ami lehetővé teszi az embrióban polaritási tengelyek kialakítását.
Az intergenikus DNS és a géneket nem kódoló részek (intronok) többsége nem vesz részt a túlélésben és a szaporodási képességben. Szekvenciáik megőrzése tehát nincs szelektív nyomás alatt. Valójában a természetes szelekció hajlamos arra, hogy megszüntesse azokat az egyéneket, akiknek genomja mutációkat hordoz a DNS kódoló szekvenciáiban, valamint a gének szabályozó szekvenciáiban. Ezeket az elemeket aztán meg lehet őrizni. Különböző fajok, például emberek és egerek genomjának összehasonlításával meg lehet határozni, hogy melyek ezek a szekvenciák, és meghatározni a genom bizonyos funkcionális elemeit.
A DNS-szekvenciák és a gének szerveződésében mutatkozó különbségek tanulmányozásával lehetőség van bizonyos tulajdonságok genetikai eredetének meghatározására is. A szabályozó szekvenciákat tekintve módosításaik növelhetik vagy csökkenthetik a transzkripciós faktorok affinitását a helyeikhez. Lehetővé teszik az új transzkripciós tényezőkhöz való kötődést, vagy korlátozhatják a régiekhez való hozzáférést. Ez jelentősen módosíthatja a szervezet reakcióját és fejlődését.
Összehasonlítottuk a csimpánz és az ember genomját, és becslések szerint a két genom 4% -kal, vagyis több tízmillió különbséggel különbözött egymástól. Különös figyelmet fordítottak a transzkripciós faktort kódoló FOXP2 génre. Az emberi fehérje valójában két különböző aminosavval rendelkezik, mint a csimpánzé. Sőt, a számítások szerint ennek a génnek a módosítása az elmúlt 120 000-200 000 évben történt, amikor az emberi faj megjelenni látszik. Ezért érdekes megjegyezni, hogy a FOXP2 gén mutációját szenvedő emberek beszéd- és nyelvi problémáktól szenvednek. Ezek az egyének különösen nem képesek biztosítani az ajkak és a nyelv finom mozgását, ami szükséges a hangos kommunikációhoz. A FOXP2 gén változásainak tehát fontos szerepe lehet az emberi evolúcióban a nyelv és a verbális kommunikáció megalapozásában.