Механизмы негативной регуляции транскрипции

Позитивный контроль транскрипции у эукариот, в котором участвуют многочисленные активаторы транскрипции, играет ключевую роль в регуляции экспрессии их генов на уровне транскрипции. Однако негативная регуляция активности генов у эукариот является столь же жизненно важным регуляторным механизмом, как и у бактерий. Подавление транскрипции необходимо при установлении разделенных во времени и пространстве паттернов транскрипции в клетках различных тканей в онтогенезе, а также при изменении уровней синтеза РНК в ответ на регуляторные изменения в микроокружении клеток. Механизмы негативной регуляции экспрессии генов на уровне транскрипции у эукариот разнообразны. Некоторые наиболее важные из них будут рассмотрены ниже.

Задержка транспорта факторов транскрипции из цитоплазмы в ядра. Подавление определенных генов может достигаться за счет задержки в цитоплазме соответствующих факторов транскрипции. В хорошо изученном случае белки-активаторы семейства Rel задерживаются в цитоплазме и не переносятся в ядра вследствие их взаимодействия с белковыми факторами IkB. Диссоциация комплексов Rel-IkB, сопровождаемая транспортом Rel-факторов в ядра, контролируется фосфорилированием белков IkB. Rel-cемейство факторов транскрипции включает в себя продукт онкогена v-Rel и клеточный гомолог c-Rel, а также морфоген дрозофилы dorsal и ядерный фактор NFkB, взаимодействующий с энхансером B гена иммуноглобулина k. Последний представляет собой гетеродимер, состоящий из субъединиц с молекулярными массами 50 и 65 кДа, и обеспечивает тканеспецифическую экспрессию генов в зрелых B-лимфоцитах. Фактор NFkB участвует в активации транскрипции некоторых генов в ответ на внешние сигналы (например под действием цитокинов) в нелимфоидных клетках.

Все IkB-белки содержат один и тот же участок, гомологичный структурному белку анкирину и необходимый для их взаимодействия с Rel-белками. В результате такого контакта маскируется сигнальная последовательность Rel-белков, которая важна для их транспорта в ядра и активации транскрипции соответствующих генов.

Активация факторов транскрипции из пула неактивных цитоплазматических комплексов обеспечивает быструю индукцию транскрипции в ответ на внешние регуляторные сигналы. Более того, эта регуляторная система предусматривает в случае необходимости и инактивацию Rel-факторов в ответ на соответствующие сигналы через изменение уровня фосфорилирования IkB-белков. Поскольку имеется целое семейство IkB-белков, обладающих разной специфичностью в отношении Rel-факторов, и различные белки семейства реагируют на разные внешние сигналы, такая система негативной регуляции является очень гибкой. Другим примером цитоплазматической задержки факторов транскрипции служат рецепторы глюкокортикоидов, которые в отсутствие соответствующего лиганда (гормона) находятся в комплексе с белком теплового шока Hsp90 и не переносятся в ядра. В то же время этот белок способствует связыванию лиганда с неактивным рецептором глюкокортикоидов, сопровождаемому распадом комплекса, т.е. его функция не ограничивается ингибирующим действием.

Предотвращение взаимодействия факторов транскрипции с регуляторными последовательностями на ДНК. Внутриядерное предотвращение связывания активаторов транскрипции с соответствующими регуляторными последовательностями на ДНК является еще одним широко распространенным механизмом негативной регуляции транскрипции у эукариот. В некоторых случаях негативно действующий фактор связывается с регуляторной последовательностью нуклеотидов, которая располагается по соседству с позитивным регуляторным элементом или перекрывается с ним. Это создает стерические препятствия для связывания последним активатора транскрипции, что предотвращает индукцию синтеза РНК. Функционирование такого в основном пассивного механизма зависит от взаимного расположения негативных и позитивных регуляторных последовательностей в промоторе. В данном случае для проявления активности негативного регулятора транскрипции необходимо его связывание с соответствующей последовательностью ДНК, и его действие не распространяется на другие регуляторные последовательности.

Наиболее простой случай репрессии синтеза РНК описан для промотора гена b-интерферона, где для активации гена необходимо связывание двух позитивно действующих факторов. Другой белковый фактор, ассоциируя с таким участком ДНК, предотвращает взаимодействие с ним этих двух позитивных факторов и подавляет транскрипцию. В ответ на вирусную инфекцию негативно действующий фактор инактивируется, и происходит активация гена на уровне транскрипции под действием двух позитивных факторов. В другом механизме, известном под названием сквелчинга (squelching – подавление), сильный транс -активирующий белок (B) связывает все молекулы обычного фактора транскрипции (A) в растворе. Это предотвращает взаимодействие фактора транскрипции А с другими генами, содержащими сайты связывания только для фактора А, но не для транс- активирующего фактора В. Такой теоретически возможный механизм пока экспериментально продемонстрирован только in vitro. Многие факторы транскрипции, принадлежащие к одному семейству, обладают похожей или идентичной специфичностью в отношении регуляторных последовательностей ДНК. Поэтому они конкурируют друг с другом за места связывания на ДНК, если присутствуют в одной и той же клетке. Типичным примером являются белки дрозофилы, содержащие гомеодомены, специфичности которых в значительной мере перекрываются. В частности, фактор, связывающий cAMP-респонсивный элемент (CREB), и белок-активатор 1 (AP-1) гомологичны в структурном отношении и узнают одни и те же последовательности ДНК. CREB способен взаимодействовать с каноническими сайтами AP-1, однако не может активировать транскрипцию с этих сайтов. Одновременное присутствие в ядре этих факторов подавляет AP-1-индуцированную транскрипцию. Уровень антагонизма между данными двумя факторами регулируется cAMP-зависимым фосфорилированием CREB.

Рецептор тиреоидных гормонов, активируемый лигандом (T₃R), является стимулятором транскрипции, который узнает палиндромную последовательность AGGTCA-TGACCT. Этот рецептор узнает также респонсивный элемент рецептора эстрогенов AGGTCA-NNN-TGACCT, однако не способен активировать транскрипцию на данном регуляторном сайте. Тем не менее, он конкурирует с рецептором эстрогенов за регуляторный сайт и подавляет синтез РНК, индуцируемый эстрогенами. Эстрогеновый респонсивный элемент окситоцинового промотора негативно регулируется рецептором ретиноевой кислоты по тому же механизму.

Образование гетеродимеров между субъединицами активаторов транскрипции. Многие факторы транскрипции взаимодействуют с ДНК в виде димеров. В димеризации участвуют специализированные домены этих белков, такие как " лейциновая застежка", POU-домен или мотив " спираль–поворот–спираль". Имеется определенная неразборчивость в образовании гетеродимеров внутри родственных семейств факторов транскрипции. Например, прототип фактора AP-1 представляет собой гетеродимер продуктов протоонкогенов c-Fos и c-Jun, которые взаимодействуют друг с другом доменами типа " лейциновая застежка". В клетках обнаружены, по крайней мере, четыре Fos- и три Jun-подобных белка, которые образуют различные гомо- и гетеродимерные комбинации внутри семейств и между ними. Разные комбинации этих факторов обеспечивают широкое разнообразие регуляторных взаимодействий между гетеродимерами и регуляторными последовательностями нуклеотидов.

Регуляторный белок Id у млекопитающих и его гомолог у дрозофилы – продукт гена emc – являются антагонистами активаторов транскрипции, обладающих доменами типа " спираль–поворот–спираль". Эти белки взаимодействуют с факторами транскрипции, однако сами не имеют ДНК-связывающих доменов и, следовательно, подавляют активность своих партнеров по димеризации. Подобные регуляторные воздействия играют важную роль в онтогенезе данных организмов. В случае других негативно действующих факторов образующийся димер взаимодействует с регуляторными последовательностями промоторов. Однако он утрачивает способность реагировать на внешние активирующие сигналы. В двух последних примерах действие негативного белка-регулятора не ограничивается пассивной конкуренцией с активатором транскрипции за место посадки на ДНК, но способствует переводу белка-активатора в неактивную форму в виде гетеродимерного комплекса.

Интересным примером негативной регуляции транскрипции у животных является направленное изменение связывания продукта протоонкогена c-Myc с регуляторными последовательностями. Для активирующего взаимодействия с промотором и проявления своих онкогенных свойств белок-активатор транскрипции c-Myc должен образовать гетеродимерный комплекс с продуктом гена max (myc auxiliary factor). Однако, находясь в стехиометрическом избытке, белок Max становится ингибитором транскрипции соответствующих генов, образуя гомодимеры и связываясь с теми же регуляторными последовательностями ДНК, но не активируя транскрипцию. Этот пример иллюстрирует возможность сильного влияния на уровни транскрипции путем небольших изменений в относительном внутриклеточном содержании димеризующихся с образованием гетеродимеров белков-активаторов. Активирующее действие Myc-белка на транскрипцию регулируется взаимодействием Max-фактора с другими белками-антагонистами: Myc, Mad и Mxil. Эти белки образуют с белком Max гетеродимеры, которые могут связываться регуляторными последовательностями ДНК, но не способны активировать транскрипцию. Такие белки конкурируют с белком Myc за его активирующий кофактор Max и в составе гетеродимеров блокируют регуляторные последовательности. Известны и другие примеры негативной регуляции транскрипции у эукариот по данному механизму.

Многие негативно действующие факторы транскрипции являются продуктами генов, которые одновременно кодируют и активаторы транскрипции. Такие факторы-репрессоры синтезируются в результате альтернативного сплайсинга предшественника их мРНК или при альтернативном использовании инициирующих кодонов во время трансляции. Образование позитивно или негативно действующего фактора транскрипции во время экспрессии одного и того же гена регулируется в онтогенезе, в процессе дифференцировки тканей или в ответ на определенные внешние сигналы в конкретной группе клеток.

Взаимодействие между факторами, принадлежащими к разным классам. Некоторые факторы транскрипции в процессе эволюционных преобразований приобрели способность к белок-белковым взаимодействиям не только в пределах своего семейства, но и к перекрестным реакциям с членами других семейств. Подавлением транскрипции может сопровождаться образование специфических комплексов между факторами транскрипции, принадлежащими к разным классам, например между c-Jun и миогенным фактором D (MyoD) или между c-Jun и рецептором глюкокортикоидов. При этом в результате образования гетерогенных комплексов меняются как ДНК-связывающая активность факторов, так и их способность активировать транскрипцию без изменения ДНК-связывающих свойств белков-мишеней.

Белки, как обладающие, так и не обладающие ДНК-связывающей активностью, могут негативно регулировать транскрипцию путем маскировки активирующих поверхностей полипептидных цепей активаторов транскрипции, с которыми они взаимодействуют. Так, белок-регулятор метаболизма галактозы у дрожжей GAL80 самостоятельно не связывается с ДНК, но способен маскировать активирующий домен позитивного фактора транскрипции GAL4. Точно так же продукт ретинобластомного гена Rb не взаимодействует с ДНК непосредственно, но модулирует активность ДНК-связывающих факторов транскрипции. Поскольку каскад реакций, связанных с действием белка Rb, может оказывать негативное влияние на здоровье человека, вызывая в детском возрасте развитие онкологического заболевания – ретинобластомы, рассмотрим механизмы этих реакций более подробно.

Белок-супрессор опухолевого роста Rb контактирует со многими клеточными белками, включая факторы транскрипции Sp1, ATF2, c-Myc и Elf-1. Наиболее хорошо изучен механизм его взаимодействия с фактором транскрипции E2F, вначале считавшимся регулятором транскрипции гена E2 аденовирусов. Сайты связывания E2F обнаружены на промоторах различных генов, регулируемых на протяжении клеточного цикла. К ним относятся, в частности гены cdc2, тимидинкиназы, ДНК-полимеразы a, c-myb, c-myc и дигидрофолатредуктазы.

Активатор транскрипции E2F образует многокомпонентные ДНК-связывающие комплексы, состав которых меняется во время клеточного цикла. Именно в фазе G1 в комплекс входит белок Rb, уровень фосфорилирования которого, меняющийся на протяжении клеточного цикла, в этой фазе минимален. Такое взаимодействие индуцирует негативную активность белка-супрессора опухолей Rb, поскольку именно в фазе G1 Rb вызывает задержку клеточного цикла. Кроме того, онкобелки онкогенных вирусов (Т-антиген вируса SV40, белок E7 вируса папилломы и белок E1a аденовирусов) во время вирусной инфекции взаимодействуют исключительно с не полностью фосфорилированным белком Rb. Это указывает на то, что изменение свойств белка Rb может быть одним из необходимых условий для опухолевого перерождения зараженных клеток. Онкобелки нарушают взаимодействие Rb с фактором транскрипции E2F, тем самым устраняя супрессорные свойства Rb (как негативно действующего белка-регулятора), которые индуцируются в нем в результате такого взаимодействия. При этом мутантные онкобелки, не способные нарушать связь между Rb и E2F, онкогенной активностью не обладают.

Фактор E2F является эффективным специфическим активатором транскрипции. Белок Rb дикого типа ингибирует активацию транскрипции фактором E2F, тогда как мутантный нефосфорилированный Rb представляет собой исключительно сильный ингибитор фактора. При этом Rb не только оказывает влияние на активацию транскрипции фактором E2F, но и превращает комплекс E2F–Rb в специфический репрессор синтеза РНК.

Таким образом, в соответствии с рассмотренной выше упрощенной моделью, Rb-белок в покоящихся клетках находится в комплексе с активатором транскрипции E2F, подавляя экспрессию генов-мишеней этого фактора, которая необходима для вступления клеток в митоз. Сигналы, запускающие пролиферацию клеток, приводят к фосфорилированию Rb, диссоциации комплекса E2F-Rb и активации E2F как позитивного фактора транскрипции. Нормальная регуляция клеточного цикла может быть нарушена, по крайней мере, двумя онкогенными воздействиями: онкобелками, вытесняющими Rb из комплекса, и мутациями, нарушающими процесс взаимодействия Rb с фактором E2F.

Сайленсеры. Все рассмотренные выше способы негативной регуляции транскрипции по сути являются пассивными, так как лишь механически вмешиваются в разные этапы ее активации, нарушая их правильный ход. В то же время ингибирование транскрипции с использованием особых регуляторных элементов, называемых сайленсерами, – активный процесс. В этом случае происходит прямое подавление инициации транскрипции путем разрушения транскрипционного комплекса на промоторе или посредством его инактивации иным способом.

Первый из описанных в 1986 г. сайленсеров обладал классическими энхансероподобными свойствами, действуя на промоторы, расположенные в цис -положении (на той же молекуле ДНК) на большом расстоянии. При этом активность сайленсера, подобно энхансеру, не зависела от его ориентации по отношению к регулируемому промотору. Активность других сайленсеров в разной степени зависит от положения их по отношению к регулируемому промотору и ориентации относительно него, а также прямо пропорциональна числу их копий. Кроме того, регуляторные белки, связывающиеся с сайленсерами, по аналогии с белками энхансеров, помимо ДНК-связывающих доменов содержат аминокислотные последовательности, обеспечивающие белок-белковые взаимодействия, которые необходимы для осуществления негативной регуляции транскрипции. Исследование структуры этих доменов выявило их большое разнообразие, что позволяет думать о высокой функциональной значимости негативной регуляции транскрипции, обеспечиваемой сайленсерами.