ในทุกสิ่งมีชีวิต (ยกเว้นไวรัสบางชนิด) การนำสารพันธุกรรมไปใช้จะเกิดขึ้นตามระบบ DNA-RNA-protein ในขั้นตอนแรก ข้อมูลจะถูกเขียนใหม่ (ถอดเสียง) จากกรดนิวคลีอิกหนึ่งไปยังอีกกรดหนึ่ง โปรตีนที่ควบคุมกระบวนการนี้เรียกว่าปัจจัยการถอดรหัส
การถอดเสียงคืออะไร
การถอดเสียงคือการสังเคราะห์ทางชีวภาพของโมเลกุลอาร์เอ็นเอตามเทมเพลตดีเอ็นเอ สิ่งนี้เป็นไปได้เนื่องจากการเสริมกันของเบสไนโตรเจนบางชนิดที่ประกอบเป็นกรดนิวคลีอิก การสังเคราะห์ดำเนินการโดยเอ็นไซม์เฉพาะ - RNA polymerase และควบคุมโดยโปรตีนควบคุมหลายชนิด
จีโนมทั้งหมดไม่ได้ถูกคัดลอกในครั้งเดียว แต่เพียงบางส่วนของจีโนมเท่านั้นที่เรียกว่าทรานสคริปต์ หลังรวมถึงโปรโมเตอร์ (ไซต์ของสิ่งที่แนบมาของ RNA polymerase) และเทอร์มิเนเตอร์ (ลำดับที่กระตุ้นความสมบูรณ์ของการสังเคราะห์)
Prokaryotic transcripton เป็นโอเปร่าที่ประกอบด้วยยีนโครงสร้างหลายตัว (cistrons) ขึ้นอยู่กับมัน polycistronic RNA ถูกสังเคราะห์มีข้อมูลเกี่ยวกับลำดับกรดอะมิโนของกลุ่มโปรตีนที่เกี่ยวข้องกับหน้าที่ Eukaryotic transcripton มีเพียงหนึ่งยีน
บทบาททางชีววิทยาของกระบวนการถอดรหัสคือการก่อตัวของลำดับ RNA ของแม่แบบ บนพื้นฐานของการสังเคราะห์โปรตีน (การแปล) จะดำเนินการในไรโบโซม
การสังเคราะห์อาร์เอ็นเอในโปรคาริโอตและยูคาริโอต
รูปแบบการสังเคราะห์อาร์เอ็นเอจะเหมือนกันสำหรับสิ่งมีชีวิตทั้งหมดและประกอบด้วย 3 ระยะ:
- การเริ่มต้น - แนบโพลีเมอเรสกับโปรโมเตอร์ เปิดใช้งานกระบวนการ
- การยืด - การขยายสายโซ่นิวคลีโอไทด์ไปในทิศทางจาก 3' เป็น 5' สิ้นสุดด้วยการปิดพันธะของฟอสโฟไดสเตอร์ระหว่างเบสที่มีไนโตรเจน ซึ่งถูกเลือกมาเสริมกับโมโนเมอร์ของดีเอ็นเอ
- การสิ้นสุดคือเสร็จสิ้นกระบวนการสังเคราะห์
ในโปรคาริโอต RNA ทุกประเภทจะถูกคัดลอกโดย RNA polymerase หนึ่งตัว ซึ่งประกอบด้วยโปรโตเมอร์ห้าตัว (β, β', ω และหน่วยย่อย α สองยูนิต) ซึ่งรวมกันเป็นเอนไซม์หลักที่สามารถเพิ่มสายโซ่ของไรโบนิวคลีโอไทด์ได้. นอกจากนี้ยังมีหน่วยเพิ่มเติม σ โดยที่การติดโพลีเมอเรสกับโปรโมเตอร์นั้นเป็นไปไม่ได้ คอมเพล็กซ์ของแกนกลางและซิกมาแฟกเตอร์เรียกว่าโฮโลไซม์
แม้ว่าหน่วยย่อย σ จะไม่เกี่ยวข้องกับแกนกลางเสมอไป แต่ก็ถือว่าเป็นส่วนหนึ่งของ RNA polymerase ในสภาวะแยกตัว ซิกมาไม่สามารถจับกับโปรโมเตอร์ได้ เพียงเป็นส่วนหนึ่งของโฮโลไซม์เท่านั้น หลังจากเสร็จสิ้นการเริ่มต้น โปรโตเมอร์นี้จะแยกออกจากแกนกลาง ถูกแทนที่ด้วยปัจจัยการยืดตัว
คุณสมบัติโปรคาริโอตเป็นการผสมผสานระหว่างกระบวนการแปลและการถอดความ ไรโบโซมเข้าร่วม RNA ทันทีที่เริ่มสังเคราะห์และสร้างสายกรดอะมิโน การถอดความหยุดเนื่องจากการก่อตัวของโครงสร้างกิ๊บในบริเวณเทอร์มิเนเตอร์ ในขั้นตอนนี้ คอมเพล็กซ์ DNA-polymerase-RNA จะแตกตัว
ในเซลล์ยูคาริโอต การถอดรหัสดำเนินการโดยเอนไซม์สามตัว:
- RNA polymerase l – สังเคราะห์ 28S และ 18S-ribosomal RNA
- RNA polymerase ll – ถ่ายทอดยีนที่เข้ารหัสโปรตีนและ RNA นิวเคลียร์ขนาดเล็ก
- RNA polymerase lll - รับผิดชอบการสังเคราะห์ tRNA และ 5S rRNA (หน่วยย่อยเล็กๆ ของไรโบโซม)
ไม่มีเอ็นไซม์เหล่านี้ที่สามารถเริ่มต้นการถอดรหัสโดยไม่ต้องมีส่วนร่วมของโปรตีนจำเพาะที่ให้ปฏิสัมพันธ์กับโปรโมเตอร์ สาระสำคัญของกระบวนการนี้เหมือนกับในโปรคาริโอต แต่แต่ละขั้นตอนนั้นซับซ้อนกว่ามากด้วยการมีส่วนร่วมขององค์ประกอบการทำงานและการควบคุมจำนวนมากขึ้น รวมถึงองค์ประกอบที่ปรับเปลี่ยนโครมาติน ในระยะเริ่มต้นเพียงอย่างเดียว มีโปรตีนประมาณร้อยชนิดที่เกี่ยวข้อง ซึ่งรวมถึงปัจจัยการถอดรหัสจำนวนหนึ่ง ในขณะที่ในแบคทีเรีย ซิกมายูนิตย่อยหนึ่งหน่วยก็เพียงพอที่จะจับกับโปรโมเตอร์ และบางครั้งจำเป็นต้องได้รับความช่วยเหลือจากตัวกระตุ้น
บทบาทที่สำคัญที่สุดของบทบาททางชีววิทยาของการถอดรหัสในการสังเคราะห์โปรตีนประเภทต่างๆ เป็นตัวกำหนดความต้องการระบบที่เข้มงวดในการควบคุมการอ่านยีน
ระเบียบการถอดเสียง
ไม่มีเซลล์ใดเป็นสารพันธุกรรมที่รับรู้ทั้งหมด: มีการถ่ายทอดยีนเพียงบางส่วนเท่านั้น ในขณะที่ส่วนที่เหลือไม่ได้ใช้งาน เป็นไปได้ด้วยความซับซ้อนกลไกการกำกับดูแลที่กำหนดว่าส่วนใดของ DNA และลำดับ RNA จะถูกสังเคราะห์ในปริมาณเท่าใด
ในสิ่งมีชีวิตที่มีเซลล์เดียว กิจกรรมที่แตกต่างกันของยีนมีค่าที่ปรับตัวได้ ในขณะที่สิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ยังกำหนดกระบวนการสร้างตัวอ่อนและการสร้างเซลล์สืบพันธุ์ เมื่อเนื้อเยื่อประเภทต่างๆ ถูกสร้างขึ้นบนพื้นฐานของจีโนมเดียว
การแสดงออกของยีนถูกควบคุมในหลายระดับ ขั้นตอนที่สำคัญที่สุดคือระเบียบการถอดความ ความหมายทางชีวภาพของกลไกนี้คือการรักษาปริมาณโปรตีนที่จำเป็นต่อเซลล์หรือสิ่งมีชีวิตในช่วงเวลาที่กำหนด
มีการสังเคราะห์ทางชีวภาพในระดับอื่นๆ เช่น การประมวลผล การแปล และการขนส่ง RNA จากนิวเคลียสไปยังไซโตพลาสซึม (ส่วนหลังไม่มีในโปรคาริโอต) เมื่อมีการควบคุมในเชิงบวก ระบบเหล่านี้มีหน้าที่ในการผลิตโปรตีนโดยอาศัยยีนที่ถูกกระตุ้น ซึ่งเป็นความหมายทางชีววิทยาของการถอดรหัส อย่างไรก็ตาม ในทุกขั้นตอน ห่วงโซ่สามารถถูกระงับได้ ลักษณะการกำกับดูแลบางอย่างในยูคาริโอต (โปรโมเตอร์ทางเลือก การประกบ การดัดแปลงของไซต์โพลีอะดีเนลเลชัน) นำไปสู่การปรากฏตัวของโมเลกุลโปรตีนที่แตกต่างกันตามลำดับดีเอ็นเอเดียวกัน
เนื่องจากการก่อตัวของ RNA เป็นขั้นตอนแรกในการถอดรหัสข้อมูลทางพันธุกรรมเกี่ยวกับวิธีการสังเคราะห์โปรตีน บทบาททางชีวภาพของกระบวนการถอดรหัสในการปรับเปลี่ยนฟีโนไทป์ของเซลล์มีความสำคัญมากกว่าการควบคุมการประมวลผลหรือการแปล.
การกำหนดกิจกรรมของยีนเฉพาะเช่นในทั้งในโปรคาริโอตและยูคาริโอต เกิดขึ้นในขั้นตอนการเริ่มต้นโดยใช้สวิตช์เฉพาะ ซึ่งรวมถึงขอบเขตการควบคุมของ DNA และปัจจัยการถอดรหัส (TFs) การทำงานของสวิตช์ดังกล่าวไม่ใช่การทำงานอัตโนมัติ แต่อยู่ภายใต้การควบคุมอย่างเข้มงวดของระบบเซลลูลาร์อื่นๆ นอกจากนี้ยังมีกลไกของการควบคุมการสังเคราะห์อาร์เอ็นเอที่ไม่เฉพาะเจาะจง ซึ่งทำให้มั่นใจได้ว่าการเริ่มต้น การยืดออก และการสิ้นสุดเป็นไปอย่างปกติ
แนวคิดของปัจจัยการถอดความ
ปัจจัยการถอดรหัสแตกต่างจากองค์ประกอบควบคุมของจีโนมคือโปรตีนทางเคมี ด้วยการผูกมัดกับบริเวณเฉพาะของ DNA พวกมันสามารถกระตุ้น ยับยั้ง เร่งความเร็วหรือชะลอกระบวนการถอดรหัส
ขึ้นอยู่กับผลกระทบที่เกิดขึ้น ปัจจัยการถอดรหัสของโปรคาริโอตและยูคาริโอตสามารถแบ่งออกเป็นสองกลุ่ม: ตัวกระตุ้น (เริ่มต้นหรือเพิ่มความเข้มของการสังเคราะห์อาร์เอ็นเอ) และตัวยับยั้ง (ยับยั้งหรือยับยั้งกระบวนการ) ปัจจุบันพบ TFs มากกว่า 2,000 รายการในสิ่งมีชีวิตต่างๆ
กฎการถอดเสียงในโปรคาริโอต
ในโปรคาริโอต การควบคุมการสังเคราะห์อาร์เอ็นเอเกิดขึ้นส่วนใหญ่ในขั้นตอนการเริ่มต้นเนื่องจากปฏิสัมพันธ์ของ TF กับภูมิภาคเฉพาะของทรานสคริปต์ - โอเปอเรเตอร์ที่อยู่ถัดจากโปรโมเตอร์ (บางครั้งตัดกับมัน) และ, อันที่จริงเป็นไซต์เชื่อมโยงไปถึงโปรตีนควบคุม (ตัวกระตุ้นหรือตัวยับยั้ง) แบคทีเรียมีลักษณะเฉพาะโดยการควบคุมยีนที่แตกต่างกัน - การสังเคราะห์หน่วยย่อย σ ทางเลือกที่มีไว้สำหรับกลุ่มโปรโมเตอร์ต่างๆ
นิพจน์ตัวดำเนินการบางส่วนสามารถควบคุมได้ในขั้นตอนของการยืดตัวและการสิ้นสุด แต่ไม่ใช่เนื่องจาก TFs ที่จับกับ DNA แต่เนื่องจากโปรตีนที่ทำปฏิกิริยากับ RNA polymerase ซึ่งรวมถึงโปรตีน Gre และปัจจัยต้านการสิ้นสุดของ Nus และ RfaH
การยืดตัวและการสิ้นสุดของการถอดรหัสในโปรคาริโอตได้รับอิทธิพลในทางใดทางหนึ่งจากการสังเคราะห์โปรตีนคู่ขนาน ในยูคาริโอต กระบวนการทั้งสองนี้เองและปัจจัยการถอดความและการแปลจะถูกแยกจากกัน ซึ่งหมายความว่าไม่สัมพันธ์กันในหน้าที่การงาน
ตัวกระตุ้นและตัวกด
โปรคาริโอตมีสองกลไกของระเบียบการถอดความในขั้นตอนการเริ่มต้น:
- บวก - ดำเนินการโดยโปรตีนกระตุ้น;
- เชิงลบ - ควบคุมโดยตัวกด
เมื่อปัจจัยถูกควบคุมในเชิงบวก สิ่งที่แนบมาของปัจจัยกับตัวดำเนินการจะกระตุ้นยีน และเมื่อเป็นค่าลบ ในทางกลับกัน ยีนจะปิดการทำงาน ความสามารถของโปรตีนควบคุมในการจับกับ DNA ขึ้นอยู่กับการยึดติดของลิแกนด์ บทบาทของตัวหลังมักจะเล่นโดยเมแทบอไลต์ของเซลล์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำ ซึ่งในกรณีนี้ทำหน้าที่เป็นตัวกระตุ้นร่วมและตัวกดแกน
กลไกการออกฤทธิ์ของตัวยับยั้งอยู่บนพื้นฐานของการทับซ้อนของภูมิภาคโปรโมเตอร์และตัวดำเนินการ ในโอเปอเรเตอร์ที่มีโครงสร้างนี้ การยึดติดของปัจจัยโปรตีนกับ DNA จะปิดส่วนของจุดลงจอดสำหรับ RNA polymerase ป้องกันไม่ให้ส่วนหลังเริ่มถอดรหัส
Activators ทำงานกับโปรโมเตอร์ที่อ่อนแอและทำงานต่ำซึ่ง RNA polymerases รู้จักไม่ดีหรือละลายได้ยาก (เกลียวเกลียวที่แยกจากกันDNA ที่จำเป็นในการเริ่มต้นการถอดรหัส) เมื่อเข้าร่วมโอเปอเรเตอร์ ปัจจัยโปรตีนจะทำปฏิกิริยากับโพลีเมอเรส ซึ่งเพิ่มความน่าจะเป็นของการเริ่มต้นอย่างมีนัยสำคัญ ตัวกระตุ้นสามารถเพิ่มความเข้มข้นของการถอดความได้ถึง 1,000 เท่า
TF โปรคาริโอตบางตัวสามารถทำหน้าที่เป็นทั้งตัวกระตุ้นและตัวยับยั้งโดยขึ้นอยู่กับตำแหน่งของตัวดำเนินการที่เกี่ยวข้องกับโปรโมเตอร์: หากภูมิภาคเหล่านี้ทับซ้อนกัน ปัจจัยจะยับยั้งการถอดความ มิฉะนั้นจะทริกเกอร์
| ฟังก์ชันลิแกนด์เทียบกับตัวประกอบ | สถานะลิแกนด์ | กฎระเบียบเชิงลบ | กฎบวก |
| แยก DNA | กำลังเข้าร่วม | กำจัดโปรตีนกดขี่ กระตุ้นยีน | กำจัดโปรตีนกระตุ้น การปิดยีน |
| เพิ่มตัวประกอบให้ DNA | ลบ | ถอดตัวกด, รวมการถอดเสียงเป็นคำ | ลบตัวกระตุ้น ปิดการถอดเสียงเป็นคำ |
กฎเชิงลบสามารถพิจารณาได้จากตัวอย่างของทริปโตเฟนโอเปอรอนของแบคทีเรียอี. โคไล ซึ่งมีลักษณะเฉพาะโดยตำแหน่งของโอเปอเรเตอร์ภายในลำดับโปรโมเตอร์ โปรตีนอัดฉีดถูกกระตุ้นโดยการเกาะติดกันของโมเลกุลทริปโตเฟน 2 โมเลกุล ซึ่งจะเปลี่ยนมุมของโดเมนการจับ DNA เพื่อให้สามารถเข้าไปในร่องหลักของเกลียวคู่ได้ ที่ความเข้มข้นต่ำของทริปโตเฟน ตัวยับยั้งจะสูญเสียลิแกนด์และไม่ทำงานอีกครั้ง กล่าวอีกนัยหนึ่ง ความถี่ของการเริ่มต้นการถอดความแปรผกผันกับปริมาณเมแทบอไลต์
โอเปอรอนของแบคทีเรียบางชนิด (เช่น แลคโตส) รวมกลไกการกำกับดูแลด้านบวกและด้านลบเข้าด้วยกัน ระบบดังกล่าวมีความจำเป็นเมื่อสัญญาณเดียวไม่เพียงพอสำหรับการควบคุมการแสดงออกอย่างมีเหตุผล ดังนั้น แลคโตสโอเปอรอนเข้ารหัสเอ็นไซม์ที่ขนส่งเข้าไปในเซลล์แล้วสลายแลคโตสซึ่งเป็นแหล่งพลังงานทางเลือกที่ให้ผลกำไรน้อยกว่ากลูโคส ดังนั้น โปรตีน CAP จะจับกับ DNA ที่ความเข้มข้นต่ำในระยะหลังเท่านั้นและเริ่มการถอดรหัส อย่างไรก็ตาม วิธีนี้ทำได้เฉพาะเมื่อมีแลคโตสเท่านั้น หากไม่มีแลคโตสจะนำไปสู่การกระตุ้นการทำงานของตัวยับยั้งแล็ก ซึ่งจะขัดขวางไม่ให้พอลิเมอเรสเข้าถึงโปรโมเตอร์ได้ แม้จะอยู่ในรูปแบบการทำงานของโปรตีนกระตุ้น
เนื่องจากโครงสร้างโอเปอรอนในแบคทีเรีย ยีนหลายตัวจึงถูกควบคุมโดยกฎข้อบังคับเดียวและ 1-2 TFs ในขณะที่ในยูคาริโอต ยีนตัวเดียวมีองค์ประกอบควบคุมจำนวนมาก ซึ่งแต่ละยีนต้องอาศัยปัจจัยอื่นๆ อีกมาก ปัจจัย. ความซับซ้อนนี้สอดคล้องกับการจัดยูคาริโอตในระดับสูง และโดยเฉพาะอย่างยิ่งสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์
ระเบียบการสังเคราะห์ mRNA ในยูคาริโอต
การควบคุมการแสดงออกของยีนยูคาริโอตถูกกำหนดโดยการทำงานร่วมกันของสององค์ประกอบ: ข้อเท็จจริงการถอดรหัสโปรตีน (TF) และลำดับดีเอ็นเอควบคุมที่สามารถอยู่ถัดจากโปรโมเตอร์ สูงกว่านั้นมาก ในอินตรอนหรือหลัง ยีน (หมายถึงบริเวณที่เขียนโค้ด ไม่ใช่ยีนแบบเต็ม)
บางพื้นที่ทำหน้าที่เป็นสวิตช์ บางพื้นที่ไม่มีปฏิสัมพันธ์โดยตรงกับ TF แต่ให้โมเลกุลดีเอ็นเอมีความยืดหยุ่นที่จำเป็นสำหรับการก่อตัวของโครงสร้างคล้ายลูปที่มาพร้อมกับกระบวนการกระตุ้นการถอดรหัส บริเวณดังกล่าวเรียกว่าสเปเซอร์ ลำดับการกำกับดูแลทั้งหมดร่วมกับโปรโมเตอร์ประกอบขึ้นเป็นภูมิภาคควบคุมยีน
เป็นที่น่าสังเกตว่าการกระทำของปัจจัยการถอดรหัสนั้นเป็นเพียงส่วนหนึ่งของการควบคุมการแสดงออกทางพันธุกรรมที่ซับซ้อนหลายระดับ ซึ่งมีองค์ประกอบจำนวนมากรวมกันเป็นเวกเตอร์ผลลัพธ์ ซึ่งกำหนดว่า RNA จะ ในที่สุดก็ถูกสังเคราะห์จากภูมิภาคเฉพาะของจีโนม
ปัจจัยเพิ่มเติมในการควบคุมการถอดรหัสในเซลล์นิวเคลียร์คือการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของโครมาติน ที่นี่มีทั้งกฎระเบียบทั้งหมด (โดยการกระจายของภูมิภาคเฮเทอโรโครมาตินและยูโครมาติน) และกฎระเบียบในท้องถิ่นที่เกี่ยวข้องกับยีนที่เฉพาะเจาะจง เพื่อให้โพลีเมอเรสทำงานได้ ต้องกำจัดการบดอัดดีเอ็นเอทุกระดับ รวมทั้งนิวคลีโอโซม
ความหลากหลายของปัจจัยการถอดความในยูคาริโอตนั้นสัมพันธ์กับตัวควบคุมจำนวนมาก ซึ่งรวมถึงแอมพลิฟายเออร์ ตัวเก็บเสียง (ตัวเสริมและตัวเก็บเสียง) รวมถึงองค์ประกอบอะแดปเตอร์และฉนวน ไซต์เหล่านี้สามารถอยู่ได้ทั้งใกล้และไกลจากยีน (มากถึง 50,000 bp)
อุปกรณ์เสริมแรง ตัวเก็บเสียง และอแดปเตอร์
สารเสริมคือ DNA แบบลำดับสั้นที่สามารถกระตุ้นการถอดรหัสเมื่อมีปฏิสัมพันธ์กับโปรตีนควบคุม การประมาณค่าของแอมพลิฟายเออร์ไปยังภูมิภาคโปรโมเตอร์ของยีนเกิดจากการก่อตัวของโครงสร้างคล้ายวงของดีเอ็นเอ การรวมตัวกระตุ้นกับเอนแฮนเซอร์จะช่วยกระตุ้นการประกอบของคอมเพล็กซ์การเริ่มต้นหรือช่วยให้โพลีเมอเรสดำเนินการยืดตัว
เอนแฮนเซอร์มีโครงสร้างที่ซับซ้อนและประกอบด้วยไซต์โมดูลหลายแห่ง ซึ่งแต่ละแห่งมีโปรตีนควบคุมของตัวเอง
Silencer คือบริเวณ DNA ที่กดทับหรือตัดทอนความเป็นไปได้ของการถอดความโดยสิ้นเชิง กลไกการทำงานของสวิตช์ดังกล่าวยังไม่ทราบ วิธีการตั้งสมมติฐานวิธีหนึ่งคือการยึดครองพื้นที่ขนาดใหญ่ของ DNA ด้วยโปรตีนพิเศษของกลุ่ม SIR ซึ่งขัดขวางการเข้าถึงปัจจัยการเริ่มต้น ในกรณีนี้ ยีนทั้งหมดที่อยู่ในคู่เบสสองสามพันคู่จากตัวเก็บเสียงจะถูกปิด
อแดปเตอร์ร่วมกับ TFs ที่จับกับพวกมัน ถือเป็นคลาสที่แยกจากกันของยีนสวิตช์ที่ตอบสนองต่อฮอร์โมนสเตอรอยด์ cyclic AMP และ glucocorticoids กฎข้อบังคับนี้มีหน้าที่ในการตอบสนองของเซลล์ต่อความร้อนช็อต การสัมผัสกับโลหะและสารเคมีบางชนิด
ในเขตควบคุม DNA มีองค์ประกอบอีกประเภทหนึ่งที่โดดเด่น - ฉนวน เหล่านี้เป็นลำดับเฉพาะที่ป้องกันไม่ให้ปัจจัยการถอดรหัสส่งผลต่อยีนที่อยู่ห่างไกล กลไกการออกฤทธิ์ของฉนวนยังไม่ชัดเจน
ปัจจัยการถอดรหัสยูคาริโอต
หากปัจจัยการถอดรหัสในแบคทีเรียมีหน้าที่ควบคุมเท่านั้น ในเซลล์นิวเคลียร์จะมี TFs ทั้งกลุ่มที่ให้การเริ่มต้นในเบื้องหลัง แต่ในขณะเดียวกันก็ขึ้นอยู่กับการจับกับโปรตีนควบคุมดีเอ็นเอ จำนวนและความหลากหลายของยูคาริโอตมีมากมายมหาศาล ดังนั้น ในร่างกายมนุษย์ สัดส่วนของลำดับที่เข้ารหัสปัจจัยการถอดรหัสโปรตีนคือประมาณ 10% ของจีโนม
จนถึงปัจจุบัน TFs ของยูคาริโอตยังไม่เป็นที่เข้าใจดีนัก เช่นเดียวกับกลไกการทำงานของสวิตช์พันธุกรรม โครงสร้างที่ซับซ้อนกว่าแบบจำลองของการควบคุมแบคทีเรียในเชิงบวกและเชิงลบ กิจกรรมของปัจจัยการถอดรหัสเซลล์นิวเคลียร์ไม่ได้รับผลกระทบใด ๆ จากกิจกรรมหลังหนึ่งหรือสองครั้ง แต่โดยสัญญาณหลายสิบหรือหลายร้อยที่สามารถเสริมสร้างความอ่อนแอหรือแยกกัน
ในด้านหนึ่ง การกระตุ้นยีนบางตัวต้องใช้ปัจจัยการถอดรหัสทั้งกลุ่ม แต่ในทางกลับกัน โปรตีนควบคุมหนึ่งชนิดอาจเพียงพอที่จะกระตุ้นการแสดงออกของยีนหลายตัวโดยกลไกการเรียงซ้อน ทั้งระบบนี้เป็นคอมพิวเตอร์ที่ซับซ้อนซึ่งประมวลผลสัญญาณจากแหล่งต่างๆ (ทั้งภายนอกและภายใน) และเพิ่มเอฟเฟกต์ลงในผลลัพธ์สุดท้ายด้วยเครื่องหมายบวกหรือลบ
ปัจจัยการถอดความตามกฎระเบียบในยูคาริโอต (ตัวกระตุ้นและตัวยับยั้ง) ไม่มีปฏิกิริยากับตัวดำเนินการ เช่นเดียวกับในแบคทีเรีย แต่มีจุดควบคุมที่กระจัดกระจายไปทั่ว DNA และส่งผลต่อการเริ่มต้นผ่านตัวกลาง ซึ่งอาจเป็นตัวกลางของโปรตีน ปัจจัยของความซับซ้อนของการเริ่มต้น และเอ็นไซม์ที่เปลี่ยนโครงสร้างของโครมาติน
ยกเว้น TF บางตัวที่รวมอยู่ในคอมเพล็กซ์ก่อนการเริ่มต้น ปัจจัยการถอดรหัสทั้งหมดมีโดเมนที่มีผลผูกพัน DNA ที่แยกความแตกต่างพวกมันจากโปรตีนอื่นๆ มากมายที่รับรองการถอดความปกติหรือทำหน้าที่เป็นตัวกลางในการควบคุม
การศึกษาเมื่อเร็ว ๆ นี้แสดงให้เห็นว่า TFs ของยูคาริโอตสามารถส่งผลกระทบต่อการเริ่มต้นไม่เพียง แต่การยืดตัวของการถอดความด้วย
ความหลากหลายและการจำแนก
ในยูคาริโอต มีปัจจัยการถอดรหัสโปรตีน 2 กลุ่ม: พื้นฐาน (หรือที่เรียกว่าทั่วไปหรือหลัก) และกฎข้อบังคับ อดีตมีหน้าที่รับผิดชอบในการรับรู้ของผู้ก่อการและการสร้างคอมเพล็กซ์ก่อนการเริ่มต้น จำเป็นต้องเริ่มการถอดเสียงเป็นคำ กลุ่มนี้ประกอบด้วยโปรตีนหลายสิบชนิดที่มีอยู่ในเซลล์เสมอและไม่ส่งผลต่อการแสดงออกของยีน
ความซับซ้อนของปัจจัยการถอดรหัสพื้นฐานเป็นเครื่องมือที่มีลักษณะคล้ายกับหน่วยย่อยซิกมาในแบคทีเรีย ซับซ้อนกว่าและเหมาะสำหรับโปรโมเตอร์ทุกประเภท
ปัจจัยอีกประเภทหนึ่งส่งผลต่อการถอดรหัสผ่านการมีปฏิสัมพันธ์กับลำดับดีเอ็นเอของระเบียบข้อบังคับ เนื่องจากเอ็นไซม์เหล่านี้เป็นยีนจำเพาะ จึงมีจำนวนมาก พวกมันควบคุมการหลั่งโปรตีนบางชนิดด้วยการผูกมัดกับภูมิภาคของยีนที่เฉพาะเจาะจง
การจำแนกปัจจัยการถอดรหัสในยูคาริโอตเป็นไปตามหลักการสามประการ:
- กลไกการออกฤทธิ์;
- เงื่อนไขการทำงาน;
- โครงสร้างของโดเมนการจับดีเอ็นเอ
ตามคุณสมบัติแรก มีปัจจัย 2 ระดับ: พื้นฐาน (โต้ตอบกับโปรโมเตอร์) และผูกพันกับภูมิภาคต้นน้ำ (ภูมิภาคควบคุมที่อยู่ต้นน้ำของยีน) แบบนี้การจำแนกประเภทนั้นสอดคล้องกับการแบ่งหน้าที่ของ TF เป็นหลักและเฉพาะเจาะจง ปัจจัยต้นน้ำแบ่งออกเป็น 2 กลุ่มขึ้นอยู่กับความจำเป็นในการเปิดใช้งานเพิ่มเติม
ตามคุณสมบัติของการทำงาน TFs ที่เป็นส่วนประกอบมีความโดดเด่น (มีอยู่ในเซลล์ใด ๆ เสมอ) และเหนี่ยวนำได้ (ไม่ใช่ลักษณะของเซลล์ทุกประเภทและอาจต้องมีกลไกการเปิดใช้งานบางอย่าง) ในทางกลับกัน ปัจจัยของกลุ่มที่สองถูกแบ่งออกเป็นเซลล์เฉพาะ (มีส่วนร่วมใน Ontogeny มีลักษณะเฉพาะโดยการควบคุมการแสดงออกที่เข้มงวด แต่ไม่ต้องการการเปิดใช้งาน) และขึ้นอยู่กับสัญญาณ หลังจะแตกต่างกันตามประเภทและโหมดการทำงานของสัญญาณเปิดใช้งาน
การจำแนกโครงสร้างของปัจจัยการถอดรหัสโปรตีนนั้นกว้างขวางมากและรวมถึง 6 ซูเปอร์คลาส ซึ่งรวมถึงคลาสและครอบครัวมากมาย
หลักการทำงาน
การทำงานของปัจจัยพื้นฐานคือการประกอบแบบเรียงซ้อนของหน่วยย่อยต่างๆ ที่มีการก่อตัวของความซับซ้อนของการเริ่มต้นและการกระตุ้นการถอดรหัส อันที่จริง กระบวนการนี้เป็นขั้นตอนสุดท้ายในการทำงานของโปรตีนกระตุ้น
ปัจจัยเฉพาะสามารถควบคุมการถอดเสียงได้ในสองขั้นตอน:
- ประกอบอาคารริเริ่ม;
- เปลี่ยนเป็นการยืดตัวที่มีประสิทธิผล
ในกรณีแรก การทำงานของ TFs เฉพาะจะลดลงจนถึงการจัดเรียงใหม่ของโครมาติน รวมถึงการสรรหา การวางแนวและการปรับเปลี่ยนตัวกลางไกล่เกลี่ย โพลีเมอเรส และปัจจัยพื้นฐานของโปรโมเตอร์ ซึ่งนำไปสู่การกระตุ้น ของการถอดความ องค์ประกอบหลักของการส่งสัญญาณคือตัวกลาง - คอมเพล็กซ์ 24 หน่วยย่อยที่ทำหน้าที่ในเป็นตัวกลางระหว่างโปรตีนควบคุมและ RNA polymerase ลำดับของการโต้ตอบเป็นรายบุคคลสำหรับแต่ละยีนและปัจจัยที่เกี่ยวข้อง
กฎระเบียบของการยืดตัวเกิดขึ้นเนื่องจากปฏิสัมพันธ์ของปัจจัยกับโปรตีน P-Tef-b ซึ่งช่วยให้ RNA polymerase เอาชนะการหยุดชั่วคราวที่เกี่ยวข้องกับโปรโมเตอร์
โครงสร้างการทำงานของ TF
ปัจจัยการถอดเสียงมีโครงสร้างแบบแยกส่วนและทำงานผ่านโดเมนที่ใช้งานได้สามโดเมน:
- DNA-binding (DBD) - จำเป็นสำหรับการรับรู้และปฏิสัมพันธ์กับขอบเขตการควบคุมของยีน
- Trans-activating (TAD) – อนุญาตให้มีปฏิสัมพันธ์กับโปรตีนควบคุมอื่น ๆ รวมถึงปัจจัยการถอดรหัส
- การรู้จำสัญญาณ (SSD) - จำเป็นสำหรับการรับรู้และการส่งสัญญาณกฎข้อบังคับ
ในทางกลับกัน โดเมนที่มีผลผูกพัน DNA มีหลายประเภท แรงจูงใจหลักในโครงสร้างประกอบด้วย:
- "นิ้วสังกะสี";
- homeodomain;
- "β"-layers;
- ลูป;
- "ลิวซีนสายฟ้า";
- spiral-loop-spiral;
- เกลียวหมุนวน
ด้วยโดเมนนี้ ปัจจัยการถอดรหัส "อ่าน" ลำดับ DNA นิวคลีโอไทด์ในรูปแบบของรูปแบบบนพื้นผิวของเกลียวคู่ ด้วยเหตุนี้ การจดจำองค์ประกอบกฎระเบียบบางอย่างจึงเป็นไปได้
ปฏิสัมพันธ์ของลวดลายกับเกลียวดีเอ็นเอนั้นขึ้นอยู่กับความสอดคล้องที่แน่นอนระหว่างพื้นผิวของสิ่งเหล่านี้โมเลกุล
ระเบียบและการสังเคราะห์ TF
มีหลายวิธีในการควบคุมอิทธิพลของปัจจัยการถอดรหัสต่อการถอดความ ซึ่งรวมถึง:
- activation - การเปลี่ยนแปลงในการทำงานของปัจจัยที่เกี่ยวข้องกับ DNA อันเนื่องมาจากฟอสโฟรีเลชั่น การเกาะติดลิแกนด์ หรือปฏิสัมพันธ์กับโปรตีนควบคุมอื่นๆ (รวมถึง TF)
- translocation - การขนส่งปัจจัยจากไซโตพลาสซึมไปยังนิวเคลียส
- ความพร้อมใช้งานของจุดเชื่อม - ขึ้นอยู่กับระดับของการควบแน่นของโครมาติน (ในสถานะของเฮเทอโรโครมาติน ดีเอ็นเอไม่พร้อมใช้งานสำหรับ TF)
- กลไกที่ซับซ้อนซึ่งเป็นลักษณะของโปรตีนอื่นๆ ด้วย (การควบคุมกระบวนการทั้งหมดตั้งแต่การถอดความไปจนถึงการดัดแปลงหลังการแปลและการโลคัลไลเซชันภายในเซลล์)
วิธีสุดท้ายกำหนดองค์ประกอบเชิงปริมาณและคุณภาพของปัจจัยการถอดรหัสในแต่ละเซลล์ TF บางตัวสามารถควบคุมการสังเคราะห์ได้ตามประเภทป้อนกลับแบบคลาสสิก เมื่อผลิตภัณฑ์ของตัวเองกลายเป็นตัวยับยั้งปฏิกิริยา ในกรณีนี้ ความเข้มข้นบางอย่างของปัจจัยจะหยุดการถอดรหัสของยีนที่เข้ารหัส
ปัจจัยการถอดความทั่วไป
ปัจจัยเหล่านี้จำเป็นในการเริ่มต้นการถอดรหัสของยีนใดๆ และถูกกำหนดในระบบการตั้งชื่อเป็น TFl, TFll และ TFlll ขึ้นอยู่กับชนิดของ RNA polymerase ที่พวกมันโต้ตอบกัน แต่ละปัจจัยประกอบด้วยหลายหน่วยย่อย
Basal TF ทำหน้าที่หลักสามอย่าง:
- ตำแหน่งที่ถูกต้องของ RNA polymerase บนโปรโมเตอร์
- คลี่คลายสายโซ่ DNA ในช่วงเริ่มต้นของการถอดความ
- การปลดปล่อยโพลีเมอเรสจากโปรโมเตอร์ในช่วงเวลาของการยืดตัว
บางหน่วยย่อยของปัจจัยการถอดรหัสพื้นฐานผูกกับองค์ประกอบด้านกฎระเบียบของโปรโมเตอร์ ที่สำคัญที่สุดคือกล่องทาทา (ไม่ใช่ลักษณะของยีนทั้งหมด) ซึ่งอยู่ที่ระยะนิวคลีโอไทด์ "-35" จากจุดเริ่มต้น ไซต์ที่มีผลผูกพันอื่นๆ ได้แก่ ลำดับ INR, BRE และ DPE TFs บางตัวไม่ติดต่อ DNA โดยตรง
กลุ่มปัจจัยการถอดรหัสที่สำคัญของ RNA polymerase ll รวมถึง TFllD, TFllB, TFllF, TFllE และ TFllH ตัวอักษรละตินที่ส่วนท้ายของการกำหนดระบุลำดับการตรวจหาโปรตีนเหล่านี้ ดังนั้นปัจจัย TFlllA ซึ่งเป็นของ lll RNA polymerase จึงถูกแยกออกมาเป็นลำดับแรก
| ชื่อ | จำนวนหน่วยย่อยโปรตีน | ฟังก์ชั่น |
| TFllD | 16 (TBP +15 TAFs) | TBP ผูกกับกล่อง TATA และ TAF รู้จักลำดับโปรโมเตอร์อื่นๆ |
| TFllB | 1 | รับรู้องค์ประกอบ BRE ปรับทิศทางโพลีเมอเรสอย่างแม่นยำที่ไซต์เริ่มต้น |
| TFllF | 3 | รักษาเสถียรภาพของปฏิกิริยาโพลีเมอเรสกับ TBP และ TFllB อำนวยความสะดวกในการแนบ TFllE และ TFllH |
| TFllE | 2 | เชื่อมต่อและปรับ TFllH |
| TFllH | 10 | แยกสายโซ่ DNA ออกจากกัน ณ จุดเริ่มต้น ปลดปล่อยเอ็นไซม์สังเคราะห์ RNA จากโปรโมเตอร์และปัจจัยการถอดรหัสที่สำคัญ (ชีวเคมีกระบวนการขึ้นอยู่กับฟอสโฟรีเลชันของโดเมนเทอร์มินอล Cer5-C ของ RNA polymerase) |
การรวมตัวของฐาน TF เกิดขึ้นด้วยความช่วยเหลือของตัวกระตุ้น, ผู้ไกล่เกลี่ยและโปรตีนดัดแปลงโครมาตินเท่านั้น
TF เฉพาะ
ด้วยการควบคุมการแสดงออกทางพันธุกรรม ปัจจัยการถอดรหัสเหล่านี้ควบคุมกระบวนการสังเคราะห์ทางชีวภาพของทั้งเซลล์แต่ละเซลล์และสิ่งมีชีวิตทั้งหมด ตั้งแต่การสร้างตัวอ่อนไปจนถึงการปรับฟีโนไทป์ที่ดีให้เข้ากับสภาวะแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลงไป ขอบเขตอิทธิพลของ TF ประกอบด้วย 3 กลุ่มหลัก:
- การพัฒนา (เอ็มบริโอและออนโทจีนี);
- วงจรเซลล์
- ตอบสนองต่อสัญญาณภายนอก
ปัจจัยการถอดรหัสกลุ่มพิเศษควบคุมความแตกต่างทางสัณฐานวิทยาของตัวอ่อน ชุดโปรตีนนี้เข้ารหัสโดยลำดับฉันทามติ 180 bp พิเศษที่เรียกว่าโฮมบ็อกซ์
ในการพิจารณาว่าควรถ่ายทอดยีนใด โปรตีนควบคุมต้อง "ค้นหา" และผูกมัดกับไซต์ DNA เฉพาะที่ทำหน้าที่เป็นตัวเปลี่ยนพันธุกรรม (ตัวเสริม ตัวเก็บเสียง ฯลฯ) แต่ละลำดับดังกล่าวสอดคล้องกับปัจจัยการถอดรหัสที่เกี่ยวข้องตั้งแต่หนึ่งตัวขึ้นไปที่จดจำตำแหน่งที่ต้องการเนื่องจากความบังเอิญของโครงสร้างทางเคมีของส่วนนอกที่เฉพาะของเกลียวและโดเมนการจับดีเอ็นเอ (หลักการล็อคกุญแจ) สำหรับการรับรู้จะใช้พื้นที่ของโครงสร้างหลักของ DNA ที่เรียกว่าร่องหลัก
หลังจากผูกมัดกับการกระทำของ DNAโปรตีนกระตุ้นกระตุ้นชุดของขั้นตอนต่อเนื่องที่นำไปสู่การประกอบตัวของสารก่อปฏิกิริยาพรีอินทิเอเตอร์ รูปแบบทั่วไปของกระบวนการนี้มีดังนี้:
- ตัวกระตุ้นที่ผูกมัดกับโครมาตินในภูมิภาคโปรโมเตอร์ การรับสมัครคอมเพล็กซ์การจัดเรียงใหม่ขึ้นอยู่กับ ATP
- การจัดเรียงโครมาตินใหม่ การกระตุ้นโปรตีนปรับเปลี่ยนฮิสโตน
- การดัดแปลงโควาเลนต์ของฮิสโตน แรงดึงดูดของโปรตีนกระตุ้นอื่นๆ
- ผูกมัดโปรตีนกระตุ้นเพิ่มเติมกับส่วนควบคุมของยีน
- การมีส่วนร่วมของผู้ไกล่เกลี่ยและ TF ทั่วไป
- การรวมตัวของคอมเพล็กซ์ก่อนการเริ่มต้นในโปรโมเตอร์
- อิทธิพลของโปรตีนกระตุ้นอื่นๆ การจัดเรียงหน่วยย่อยของคอมเพล็กซ์ก่อนการเริ่มต้นใหม่
- เริ่มถอดเสียงเป็นคำ
ลำดับของกิจกรรมเหล่านี้อาจแตกต่างกันไปในแต่ละยีน
กลไกการเปิดใช้งานจำนวนมากนั้นสอดคล้องกับวิธีการปราบปรามที่หลากหลายเท่ากัน กล่าวคือโดยการยับยั้งขั้นตอนใดขั้นตอนหนึ่งในการเริ่มต้น โปรตีนควบคุมสามารถลดประสิทธิภาพหรือปิดกั้นอย่างสมบูรณ์ ส่วนใหญ่แล้ว ตัวกดจะเปิดใช้งานกลไกหลายอย่างพร้อมกัน รับประกันว่าจะไม่มีการถอดเสียงเป็นคำ
ควบคุมยีนอย่างประสานกัน
แม้ว่าทรานสคริปต์แต่ละตัวจะมีระบบการกำกับดูแลของตัวเอง แต่ยูคาริโอตก็มีกลไกที่ช่วยให้เช่นแบคทีเรียสามารถเริ่มต้นหรือหยุดกลุ่มของยีนที่มุ่งเป้าไปที่การทำงานเฉพาะได้ ทำได้โดยปัจจัยกำหนดการถอดความที่ทำให้ชุดค่าผสมสมบูรณ์องค์ประกอบด้านกฎระเบียบอื่นๆ ที่จำเป็นสำหรับการเปิดใช้งานหรือการปราบปรามของยีนอย่างสูงสุด
ในการถอดเสียงภายใต้กฎข้อบังคับดังกล่าว การทำงานร่วมกันของส่วนประกอบต่างๆ จะนำไปสู่โปรตีนชนิดเดียวกัน ซึ่งทำหน้าที่เป็นเวกเตอร์ผลลัพธ์ ดังนั้นการกระตุ้นปัจจัยดังกล่าวจึงส่งผลต่อยีนหลายตัวในคราวเดียว ระบบทำงานบนหลักการของน้ำตก
รูปแบบของการควบคุมแบบประสานกันสามารถพิจารณาได้จากตัวอย่างการสร้างความแตกต่างของยีนของเซลล์กล้ามเนื้อโครงร่าง ซึ่งสารตั้งต้นคือ myoblasts
การถอดความยีนที่เข้ารหัสการสังเคราะห์ลักษณะโปรตีนของเซลล์กล้ามเนื้อที่โตเต็มที่นั้นถูกกระตุ้นโดยปัจจัยที่ทำให้เกิดโรค 4 ประการ ได้แก่ MyoD, Myf5, MyoG และ Mrf4 โปรตีนเหล่านี้กระตุ้นการสังเคราะห์ของตัวเองและกันและกัน และยังรวมถึงยีนสำหรับปัจจัยการถอดรหัสเพิ่มเติม Mef2 และโปรตีนของกล้ามเนื้อโครงสร้าง Mef2 มีส่วนเกี่ยวข้องในการควบคุมการสร้างความแตกต่างเพิ่มเติมของ myoblasts ในขณะเดียวกันก็รักษาความเข้มข้นของโปรตีน myogenic ไว้ด้วยกลไกป้อนกลับเชิงบวก
