Wie binden Transkriptionsfaktoren an DNA?

Jede Zelle eines vielzelligen Organismus besteht aus ihrem vollständigen Genom im Zellkern in einer oder mehreren Kopien. In einer bestimmten Zelle wird jedoch nur ein einziger Satz von Genen transkribiert, der die Individualität der Zelle unter den anderen Zellen im Organismus definiert. Viele Gene werden auch nur zu bestimmten Zeiten transkribiert. Die Transkription eines Gens produziert RNA, die in ein Protein übersetzt wird. Wenn ein bestimmtes Protein für das Funktionieren der Zelle erforderlich ist, wird das Gen, das das Protein kodiert, transkribiert. Daher wird dieses Gen als "eingeschaltet" betrachtet. Wenn ein Gen ausgeschaltet ist, wird die Transkription angehalten. An der Regulation der Genexpression sind mehrere Mechanismen beteiligt. Die Regulation der Genexpression in eukaryotischen Zellen hängt von einer Gruppe von Proteinen ab, die als Transkriptionsfaktoren (TFs) bezeichnet werden. Neben Transkriptionsfaktoren sind auch Chromatin-Modifikationen, RNA-Splicing, siRNA-Kontrollmechanismen und Zellsignalisierung für die Regulation der Genexpression in Eukaryoten verantwortlich.

Dieser Artikel betrachtet,

1. Was sind Transkriptionsfaktoren?
2. Wie binden Transkriptionsfaktoren an DNA?

Was sind Transkriptionsfaktoren?

Ein Transkriptionsfaktor ist ein Proteinmolekül, das die Aktivität eines Gens kontrolliert, indem es bestimmt, ob ein bestimmtes Gen in RNA transkribiert wird oder nicht. RNA-Polymerase ist das Enzym, das die RNA-Synthese unter Verwendung von DNA als Template katalysiert. Transkriptionsfaktoren steuern die Wirkung der RNA-Polymerase, indem sie bestimmen, wann, wo und wie effizient das Enzym funktioniert. Daher können Transkriptionsfaktoren entweder als Aktivatoren wirken, die die Genexpression steigern, oder als Repressoren, die die Genexpression verringern.

Es gibt drei Arten von Transkriptionsfaktoren: allgemeine Faktoren, Upstream-Faktoren und induzierbare Faktoren. Allgemeine Transkriptionsfaktoren sind für die Initiierung der Transkription von kodierenden Genen erforderlich. Der Initiationskomplex, der durch allgemeine Transkriptionsfaktoren gebildet wird, heißt basale Transkriptionsgeräte. Upstream-Transkriptionsfaktoren sind an der Erkennung bestimmter kurzer Konsensuselemente beteiligt, die sich stromaufwärts des Transkriptionsstartpunkts befinden. Induzierbare Faktoren Funktion ähnlich wie Upstream-Transkriptionsfaktoren, die die Genexpression durch Bindung an Antwortelemente weiter regulieren. Die Funktion des Aktivators bei der Transkription ist in gezeigt Abbildung 1.

Abbildung 1: Die Rolle der Transkriptionsfaktoren

Nachdem wir Transkriptionsfaktoren erklärt haben, wollen wir nun sehen, wie Transkriptionsfaktoren an DNA binden.

Wie binden Transkriptionsfaktoren an DNA?              

Transkriptionsfaktoren gehören zu verschiedenen Proteinfamilien, die als Proteinkomplexe mit mehreren Untereinheiten fungieren. Sie binden direkt an cis-regulatorische DNA-Sequenzen oder -Motive, die stromaufwärts der TATA-Box der Promotorsequenz auftreten. Diese Motive sind normalerweise etwa 6 bis 10 Basenpaare lang. Transkriptionsfaktoren binden sich entweder an Verstärker oder Schalldämpfer, die die Transkription beeinflussen. Enhancer treten in der Nähe des Gens auf - stromaufwärts, stromabwärts oder innerhalb der Introns. Sie aktivieren die Genexpression, während Silencer die Genexpression ausschalten. Transkriptionsfaktoren verändern ihre 3D-Struktur, während sie die Bindung an DNA begleiten.  

Der Bildungskomplex aus Transkriptionsfaktoren und Promotor rekrutiert zusammen mit den Verstärkern die RNA-Polymerase II. Der Einfluss der Transkriptionsfaktoren kann abhängig vom Gesamteinfluss des gesamten Transkriptionsfaktorkomplexes entweder positiv oder negativ sein. Transkriptionsfaktoren bestehen aus mehreren funktionellen Domänen, die mit Sequenzmotiven zu binden sind, sowie den anderen Transkriptionsfaktoren, sogenannten Koaktivatoren, RNA-Polymerase II, Chromatin-Remodeling-Komplexen und kleinen, nicht kodierenden RNAs. Zwei Transkriptionsfaktoren binden an zwei benachbarte Motive auf dem DNA-Strang und verbinden sich zu einem Dimer, das die DNA verbiegt. Dieser Prozess wird als Teil des Genaktivierungsprozesses betrachtet. Die Chromatinstruktur erlaubt es auch, Coaktivatoren miteinander zu verbinden. Einige Transkriptionsfaktoren wirken als Bindungselemente zwischen verschiedenen Promotoren und Verstärkern auch mit Hilfe anderer Proteine. Der eukaryotische Transkriptionsaktivatorkomplex ist in gezeigt Figur 2.

Abbildung 2: Transkriptionsaktivatorkomplex

Neben der Aktivierung der Genexpression sind einige Transkriptionsfaktoren an der Unterdrückung der Genexpression beteiligt. Repressoren können allgemeine Transkriptionsfaktoren blockieren, die die Genexpression aktivieren. Die meisten Transkriptionsfaktoren können viele Genexpressionen regulieren, während einige wenige Transkriptionsfaktoren nur ausgewählte Genexpressionen regulieren können. Da Transkriptionsfaktoren die Expression der meisten Gene steuern, die an der Entwicklung eines Organismus beteiligt sind, kann die fehlerhafte Expression von Transkriptionsfaktor-Genen die unregelmäßige Entwicklung des Organismus verursachen. 

Fazit

Transkriptionsfaktoren regulieren die Genexpression in Eukaryoten. Die Einleitung der Transkription wird durch Transkriptionsfaktoren bestimmt. Diese Art von Transkriptionsfaktoren wird als Aktivatoren bezeichnet. Sie machen das Gen an. Neben der Aktivierung der Transkription können Transkriptionsfaktoren auch die Genexpression unterdrücken. Die Gene werden durch die Bindung von Repressoren abgestellt. Transkriptionsfaktoren binden an die regulatorischen Elemente der Promotorregion. Während der Genaktivierung binden Transkriptionsfaktoren auch an die Enhancer-Regionen und bilden eine Schleife, die RNA-Polymerase II rekrutiert, um die Transkription zu initiieren. Repressoren blockieren allgemeine Transkriptionsfaktoren für die regulatorischen Elemente der DNA.

 Referenz:
1. Cooper, John A. "Transcription factor". Encyclopædia Britannica. Encyclopædia Britannica, Inc., n. D. Netz. 22 Mai 2017. .
2. "Transkriptionsfaktoren". Atlas der Genetik und Zytogenetik in der Onkologie und Hämatologie. N.p., n. D. Netz. 22 Mai 2017. .
3. "Transkriptionsfaktoren". Khan Academy. N.p., n. D. Netz. 22 Mai 2017. .
4. Phillips, Theresa. "Transkriptionsfaktoren und Transkriptionskontrolle in eukaryotischen Zellen." Nature News. Nature Publishing Group, n. D. Netz. 22 Mai 2017. .

Bildhöflichkeit:
1. "0338 RNA Polymerase-Bindung" Von OpenStax - https://cnx.org/contents/[email protected]: [email protected] / Vorwort (CC BY 4.0) über Commons Wikimedia
2. "Transkriptionsfaktoren" von Kelvinsong - Eigene Arbeit (CC BY 3.0) über Commons Wikimedia