Genetika Promotor

Ova RNK može kodirati protein ili može imati funkciju samu po sebi, kao što je tRNK, iRNK ili rRNK. Promotori se nalaze u blizini početnih mjesta transkripcije gena, uzvodno na DNK (prema 5 'regiji smislenog lanca).

Djelovanje promotora odvija se u sklopu operona, što znači da njihova aktivnost ovisi o prisustvu/odsustvu supstence koja je obkekt djelovanja operona, koja je ujedno ima i ulogu represora u tom kompleksu međuzavisnih gena.

Operon se sastoji od 4 osnovne komponente DNK:

• Promotor – nukletidna sekvenca koja omogućava transkripciju. Promotor je prepoznat od strane RNK polimeraze, koji onda inicira transkripciju. U sintezi RNK, promotori ukazuju koji se geni trebaju uključitii za stvaranje RNK; samim tim, kontroliraju koje proteine će ćelija proizvodi.
• Regulator – kontrolira gena operatora u suradnji sa određenim spojeva pod nazivom induktori i korepresori koji su prisutni u citoplazmi. Gen regulator nije nužno u susjedstvu gene operatora. Kodovi gena regulatora kontroliraju sintezu proteinske supstance koja se zove represor. Represorna supstanca se kombinira sa genom operaterom i sprečava njegovu aktivnost. A gen regulator kontrolira operon, ali nije njegov dio.
• Operator – je segment DNK za koji se epresije vezuje za. To je klasično definirano u ''lac operon''u kao segment između promotora i gena za operon. u slučaju represije, represije proteina, RNK polimerazom, fizički ometa prepisivanjem gena.
• Strukturni geni – su oni koji koreguliraju operon. Nisu uvijek u njega uključeni, ali imaju važnu ulogu u funkciji regulatornog gena, a ekspresija su gena koji kodira represijski protein. Regulatorni gen ne mora biti u susjedstvu ili čak ni u blizini operona.

Promotori mogu biti dugački oko 100-1000 baznih parova.

Da bi se odvijala transkripcija, enzim koji sintetitizira RNK, poznat kao RNK-polimeraza, mora se vezati za DNK u blizini gena. Promotori sadrže specifične sekvence DNK, kao što su elementi odgovora. koji pružaju sigurno početno mesto vezivanja za RNK-polimerazu i za proteine zvane faktori transkripcije, koji aktiviraju RNK-polimerazu. Ovi transkripcijski faktori imaju specifične aktivatore ili represorne sekvence odgovarajućih nukleotida, koji se vežu za određene promotore i regulišu ekspresiju gena.

U bakterija
Promotor prepoznaje RNK-polimerazu i pridruženi sigma faktor, koji se pak često dovode u DNK promotora, vezanjem proteina – aktivatora za svoje mjesto vezanja DNK u blizini.
U eukariota
Proces je složeniji i potrebno je najmanje sedam različitih činitelja za vezanje RNK-polimeraze II za promotor.

Promotori predstavljaju kritične elemente koji mogu djelovati u saglasnosti s drugim regulatornim regijama (pojačivač, prigušivači, granični elementi / insulatori ) da usmere nivo transkripcije datog gena. Promoter se indukuje kao odgovor na promjene u obilju ili konformaciji regulacijskih proteina u ćeliji, što omogućava aktiviranje transkripcijskih faktora da aktiviraju RNK-polimerazu.

Kako su promotori obično neposredno uz dotični gen, položaji u promotoru su označeni u odnosu na početno mjesto transkripcije, gdje transkripcija DNK započinje za određeni gen (tj. položaji uzvodno su negativni brojevi odbrojavajući natrag od – 1, naprimjer – 100 je položaj 100 osnovnih parova uzvodno).

U ćelijskom jedru promotori su preferencijalno rqspoređeni na rubovima hromosoma, vjerovatno za koekspresiju gena sa različitih hromosoma. Nadalje, kod ljudi promotori ispoljavaju određena strukturna svojstva, karakteristična za svaki hromosom.

Eukariotski

• Sržni promotor – minimalni dio promotora potreban za pravilno pokretanje transkripcije;
  • Uključuje početno mjesto transkripcije (TSS) i elemente direktno uzvodno
  • Mjesto vezanja za RNK-polimerazu;
    • RNK-polimeraza I: transkribira gene koji kodiraju 18S, 5.8S i 28S ribosomskih RNK;
    • RNK-polimeraza II: transkribira gene koji kodiraju iRNK i određene male jedarne RNK i mikro-RNK;
    • RNK polimeraza III: transkribira gene koji kodiraju transportnu DNK, 5s ribosomske RNK i druge male RNK;
  • Opća mjesta vezanja faktora transkripcije, npr. TATA-okvir, B-element prepoznavanja.
  • Mogu biti prisutni mnogi drugi elementi / motivi. Ne postoji skup "univerzalnih elemenata" koji se nalazi u svakom ključnom promotoru.
• Proksimalni promotor – proksimalna sekvenca uzvodno od gena koja teži da sadrži primarne regulatorne elemente;
  • Otprilike 250 osnovnih parova uzvodno od početne lokacije;
  • SpecifičnO mjesto vezanja faktora transkripcije;
• Distalni promotor – distalna sekvenca uzvodno od gena koji može sadržavati dodatne regulatorne elemente, često sa slabijim utIcajem od proksimalnog promotora;
  • Sve dalje uzvodno (ali ne pojačivačI ili druga regulatorna regija čiji je uticaj neovisan o položaju/ orijentaciji);
  • Specifična mjesta vezanja za faktor transkripcije.

Bakterijski

U bakterija, promotor sadrži dva elementa kratke sekvence od približno 10 (Pribnowa kutija) i 35 nukleotida uzvodno od početnog mjesta transripcija.

• Sekvenca na – 10 (element -10) ima konsenzusnu sekvencu TATAAT.
• Sekvenca na – 35 (element -35) ima konsenzusni niz TTGACA.
• Gore navedeni konsenzusni nizovi, iako su u prosjeku sačuvani, kod većine promotora nisu netaknuti. U prosjeku, samo 3 do 4 od 6 parova baza u svakom konsenzusnom nizu nalaze se u bilo kojem od datih promotora. Do danas je identificirano nekoliko prirodnih promotora koji imaju netaknute konsenzusne sekvence i na –10 i –35; Utvrđeno je da se vještački promotori s potpuno očuvanim elementima –10 i –35 transkribiraju na nižim frekvencijama od onih s nekoliko neusklađenih konsenzusa.
• Sekvenca na – 10 (element –10) ima konsenzusnu sekvencu TATAAT.
• Sekvenca na –35 (element –35) ima konsenzusni niz TTGACA.
• Gore navedene konsenzusne sekvence, iako su u prosjeku sačuvane, kod većine promotora nisu netaknute. U prosjeku, samo tri do č,etiri od šest parova baza u svakom konsenzusnom nizu nalaze se u bilo kojem od datih promotora. Do danas je identificirano nekoliko prirodnih promotora koji imaju netaknute konsenzusne sekvence i na –10 i –35; Utvrđeno je da vještački promotori s potpunim očuvanjem elemenata –10 i –-35 transkribiraju na nižim frekvencijama od onih s nekoliko neusklađenih konsenzusa.
• Optimalni razmak između sekvenci –35 i –10 je 17 bp.
• Neki promotori sadrže jedno ili više podmjesta uzvodnog elementa promotora (UP element)(konsenzusna sekvenca 5'-AAAAAARNR-3' kada je centriran u regiji –42; konsenzusna sekvenca 5'-AWWWWWTTTTT-3' kada je centriran u regiji –52; W = A ili T; R = A ili G ; N = bilo koja baza).

Gore navedene promotorske sekvence prepoznaje samo RNK-polimerazni holoenzim, koji sadrži sigma-70. RNK-polimerazni holoenzimi koji sadrže druge sigma faktore prepoznaju različita jezgra promotorskih sekvenci.

<-- uzvodno nizvodno --> 5'–xXXXXXXXPPPPPPXXXXXXPPPPPPXXXXGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGXXXX-3' –35 –10. Gen će biti prepisan/transkriburan.

Vjerovatnoća pojave svakog nukleotida

Za –10 sekvencu T A T A A T 77% 76% 60% 61% 56% 82%:

Za –35 sekvencu T T G A C A 69% 79% 61% 56% 54% 54%;

Eukariotski

Eukariotski promotori su raznoliki i teško ih je okarakterizirati, ali nedavna istraživanja pokazuju da su podijeljeni u više od 10 klasa.

 

Promotorskii geni obično se nalaze uzvodno od strukturnog gena i mogu imati regulatorne elemente, za nekoliko kilobaza udaljene od početnog mjesta transkripcije (pojačivači). U eukariota, transkripcijski kompleks može dovesti do savijanja DNK na sebi, što omogućava postavljanje regulatornih sekvenci daleko od stvarnog mjesta transkripcije. Promotori ovisni o eukariotskoj RNA-polimerazi-II mogu sadržavati TATA element (konsenzusna sekvenca TATAAA), koji prepoznaje opći faktor transkripcije protein koji veže TATA (TBP); i B element prepoznavanja (BRE), koji prepoznaje opći faktor transkripcije TFIIB. TATA element i BRE obično se nalaze u blizini početnog mjesta transkripcije (obično unutar 30 do 40 parova baza).

Regulatorne sekvence eukariotskog promotora obično vežu proteine koji se nazivaju transkripcijski faktori, uključeni u stvaranje transkripcijskog kompleksa. Primjer je E-box (sekvenca CACGTG), koji veže faktore transkripcije u porodici osnovni heliks-petlja-heliks (bHLH) (npr. BMAL1-Clock, cMyc). Neki promotori koji su ciljani višestrukim faktorima transkripcije mogu postići hiperaktivno stanje, što dovodi do povećane aktivnosti transkripcije.

Dvosmjerni (sisari)

Dvosmjerni promotori su kratki (<1 kbp) intergenski regioni DNK, između genskih 5 'krajeva u dvosmjernom genskom paru. > "Dvosmjerni genski par" odnosi se na dva susjedna gena kodirana na suprotnim polunitima, čiji su 5 'krajevi orijentirani jedan prema drugom. Dva gena su često funkcijski povezana, a modifikacija njihove zajedničke promotorske regije omogućava im da budu koregulirani i na taj način koeksprimirani. Dvosmjerni promotori su uobičajena karakteristika sisarskih genoma. About 11% of human genes are bidirectionally paired.

Dvosmjerno upareni geni u bazi podataka Genska ontologija (Gene Ontology) imali su barem jednu funkcijskuu kategoriju dodijeljenu bazi podataka sa njihovim homolozima, oko 47% vremena. Analiza mikronizova pokazala je da se dvosmjerno upareni geni koeksprimiraju u većem stepenu od slučajnih gena ili susjednih jednosmjernih gena. Iako koekspresija ne mora nužno ukazivati na koregulaciju, pokazalo se da metilacija dvosmjernih promotorskih regija smanjuje regulaciju oba gena, a demetilacija da povećava regulaciju oba. Postoje, međutim, i izuzeci. U nekim slučajevima (oko 11%), eksprimiran je samo jedan gen dvosmjernog para. U tim slučajevima je promotor upleten u supresiju neizraženog gena. Mehanizam koji stoji iza ovoga mogao bi biti nadmetanje za iste polimeraze ili hromatinsku modifikaciju. Divergentna transkripcija mogla bi podstaknuti nukleosome da povećaju regulaciju transkripcije jednog gena ili uklone vezane faktore transkripcije kako bi smanjili transkripciju jednog gena.

Neke funkcijske klase gena vjerovatnije će biti dvosmjerno uparene od drugih. Geni koji sudjeluju u popravljanju DNK, imaju pet puta veću vjerovatnoću da će ih regulirati dvosmjerni nego jednosmjerni promotori. Haperonski proteini su tri puta vjerovatniji, a mitohondrijski geni više nego dvostruko vjerovatniji. Dvosmjerni promotori reguliraju mnoge osnovne gene za održavanje i ćelijske metaboličke gene. Prekomjerna zastupljenost dvosmjerno uparenih gena za popravak DNK povezuje ove promotore sa kancerom. Čini se da 45 % ljudskih somatskih onkogena reguliraju dvosmjerni promotori – znatno više od gena koji ne uzrokuju rak. Hipermetilacija promotora između genskih parova WNT9A / CD558500, CTDSPL / BC040563 i KCNK15 / BF195580 povezana je s tumorima.

U dvosmjernih promotora uočene su određene karakterisstične sekvence, uključujući nedostatak TATA kutija, obilje CpG-otoka i simetriju oko sredine dominantnih Cs i As na jednoj strani i Gs i Ts s druge strane. Nedavno je prikazan motiv sa konsenzus sekvencom TCTCGCGAGA, također nazvan [[[CGCG element]]], koji pokreće PolII-dvosmernu transkripciju na CpG otocima. CCAAT kutije su uobičajene, kao i kod mnogih promotora kojima nedostaju TATA okviri. Uz to, motivi NRF-1, GABPA, YY1 i ACTACAnnTCCC zastupljeni su u dvosmjernim promotorima po znatno višim stopama nego kod jednosmjernih promotora. Odsustvo TATA kutija u dvosmjernim promotorima sugerira da TATA-kutije imaju ulogu u određivanju usmjerenosti promotora, ali protivprimjeri dvosmjernih promotora imaju TATA-kutije i jednosmjerne promotore bez njih, što ukazuje da oni ne mogu biti jedini faktor.

Iako se izraz "dvosmjerni promotor" posebno odnosi na promotorske regije gena koji kodiraju iRNK, testovi s luciferazama pokazali su da preko polovine ljudskih gena nema snažnu smjernu pristranost. Istraživanja sugeriraju da je nekodirajuća RNK često povezana sa promotorskim regionima gena koji kodiraju iRNK. Pretpostavlja se da aktiviranje i započinjanje RNK-polimeraze II obično počinje dvosmjerno, ali divergentna transkripcija se zaustavlja na kontrolnoj tački kasnije tokom elongacije. Mogući mehanizmi koji stoje iza ove regulacije uključuju sekvence u promotorskoj regiji, modifikaciju hromatina i prostornu orijentaciju DNK.

Subgenomski promotor je promotor dodan virusu za određeni heterologni gen, što rezultira stvaranjem iRNK samo za taj gen. Mnogi RNK-virusi u pozitivnom smislu proizvode ove subgenomske iRNK (sgRNA), kao jedan od uobičajenih načinaa infekcije koje ovi virusi koriste i uglavnom transkribiraju kasne virusne gene. Veličina subgenomskih promotora kreće se od 24 (Sindbis virus) do preko 100 nukleotida (nekrotični virus žutih vena) i obično se nalaze uzvodno od početka transkripcije.

Razvijen je širok spektar algoritama kako bi se olakšalo otkrivanje promotora u genomskim sekvencama , a predviđanje promotora čest je element mnogih metoda predviđanja položaja gena. Regija promotora nalazi se prije sekvenci konsenzusa -35 i -10. Što je promotorska regija bliža konsenzusnim sekvencama, to će se češće odvijati transkripcija tog gena. Ne postoji postavljeni obrazac za promotorske regije, kao što postoji za konsenzusne sekvence.

 

Promjene u promotorskim sekvencama presudne su u evoluciji, na što ukazuje relativno stabilan broj gena u mnogim lozama. Naprimjer, većina kičmenjaka ima otprilike jednak broj gena koji kodiraju proteine (oko 20.000), koji su često vrlo konzervirani u sekvencama, pa veliki dio evolucijskih promjena mora proizaći iz promjena u ekspresiji gena.

Porijeklo promotora de novo

S obzirom na kratke sekvence većine elemenata promotora, oni mogu brzo evoluirati iz slučajnih sekvenci. Naprimjer, u E. coli , ~ 60% slučajnih sekvenci može razviti nivoe ekspresije, usporedive s [divlji tip|[divljim tipom]] lac promotora, sa samo jednom mutacijom i da ~ 10% slučajnih sekvenci može poslužiti kao aktivni promotor bez evolucije.

Druge nedavne studije sugeriraju da promotori gena mogu biti primarni uzrok dijabetesa. Promotori gena povezanih s dijabetesom putem studije povezanosti genoma (GWAS) pokazuju specifične DNK obrasce za svaki fenotip.

Iniciranje transkripcije je višestupanjski sekvencijskii proces, koji uključuje nekoliko mehanizama: mjesto promotora, početno reverzibilno vezanje RNK-polimeraze, konformacijske promjene u RNK- polimerazi, konformacijske promjene u DNK, vezanje nukleozid-trifosfata (NTP) na funkcijski promotor RNK-polimeraze složeno i neproduktivno i produktivno pokretanje sinteze RNK. Proces vezanja promotora presudan je u razumijevanju procesa ekspresije gena.

Lokacija

Iako RNK-polimerazni holoenzim pokazuje visok afinitet prema nespecifičnim mjestima DNK, ova karakteristika ne dopušta da se razjasni proces lokacije promotora. Ovaj proces lociranje promotora pripisuje se strukturi holoenzima u DNK i sigme 4 u DNK kompleksima.

Većina bolesti je heterogena po uzroku, što znači da jedna "bolest" često uključuje mnogo različitih bolesti na molekulskoj razini, iako se ispoljeni simptomi i odgovor na liječenje mogu ujednačiti. Način na koji bolesti različitog molekulskog porijekla reagiraju na tretmane djelomično se pročava u naučnoj oblast zvanoj farmakogenomika.

Ovdje nisu navedene mnogi tipovi karcinoma koji uključuju aberantnu regulaciju transkripcije zahvaljujući stvaranju himernuh gena, nakon patoloških hromosomske translokacije. Važno je da je intervencija u broju ili strukturi proteina vezanih na promotor jedan od ključeva za liječenje bolesti bez uticaja na ekspresiju nepovezanih gena, koji dijele elemente s ciljnim genom. Neki geni čija promjena nije poželjna, sposobni su uticati na potencijal ćelije da postane karcinomska.

U ljudi, oko 70% promotora smještenih u blizini mjesta početka transkripcije gena (proksimalni promotori) sadrži CpG-otok. CpG-otoci su obično dugi od 200 do 2000 baznih parova, imaju sadržaj baznog para C: G > 50% i imaju područja DNK gdje sekvencu sa citozinskim nukleotidom slijedi guanin i to se često događa u linearnog sekvenci DNK baza duž 5 '→ 3' smjera. Distalni promotori također često sadrže CpG-otoke, poput promotora gena ERCC1, za popravak DNK, gdje se promotor koji sadrži CpG-otok nalazi oko 5.400 nukleotida uzvodno od kodirajućeg područja ERCC1gena. CpG-otoci također se često javljaju u promotorima za funkcijski nekodirajuće RNK kao što su mikroRNK.

U ljudi se metilacija DNK događa sena položaju 5 'pirimidinskog prstena citozinskih ostataka unutar CpG-lokusa da nastane 5-metilcitozin. Prisutnost višestrukih metiliranih CpG-lokusa na CpG-otocima promotora uzrokuje stabilno utišavanje gena. Utišavanje gena može biti pokrenuto drugim mehanizmima, ali to je često praćeno metilacijom CpG-lokuse na promotorskom CpG-otoku, da bi se izazvalo stabilno utišavanje gena.

Općenito, u progresiji do raka, stotine gena su utišani ili aktivirani. Iako se utišavanje nekih gena u karcinomima događa mutacijom, veliki udio prigušivanja kancerogenih gena rezultat je promijenjene metilacije DNK (vidi Metilacija DNK). Metilacija DNK koja uzrokuje prigušivanje raka obično se događa na više CpG-lokusa na CpG-otoku, koji su prisutni u promotorima gena koji kodiraju proteine. Izmijenjeni ekspresiji mikroRNK također utišavaju ili aktiviraju mnoge gene u progresiji do raka. Promijenjena ekspresija mikroRNK događa se putemhiper / hipo-metilacija CpG-lokusa u CpG-otocima, u promotorima koji kontroliraju transkripciju mikroRNK Utišavanje gena za popravak DNA metilacijom CpG-otoka u njihovim promotorima čini se da je posebno važno za napredovanje do raka.

Upotreba termina kanonska sekvenca za označavanje promotora često je problematična i može dovesti do nesporazuma oko sekvenci promotora. Kanonski podrazumijeva savršeno, u nekom smislu. U slučaju mjesta vezanja transkripcijskog faktora, može postojati jedna sekvenca koja najsnažnije veže protein pod određenim čelijskim uvjetima. To bi se moglo nazvati kanonskim. Međutim, prirodna selekcija može favorizirati manje energetsko vezanje kao način regulacije transkripcijskog izlaza. [U ovom slučaju, najčešća sekvenca u populaciji može se nazvati sekvencom divljeg tipa. Možda to i nije najpovoljniji ekvenca u postojećim uvjetima. Noviji dokazi također ukazuju da nekoliko gena (uključujući proto-onkogen c-myc) ima motive G-kvadrupleks, kao potencijalne regulatorne signale.

Neki slučajevi mnogih nasljednih bolesti povezani su s varijacijama u promotorima ili faktorima transkripcije. Primjeri uključuju, bolesti kao što su:

• Astma
• Beta talasemija
• Rubinstein-Taybijev sindrom

• Aktivator (genetika)
• Operon
• Ekspresija gena
• Represor
• Transkripcijski faktor