Labtutorials.org

Kompozit elemek

In DNA, molecular biology on August 31, 2021 at 8:00 am

Szerző: Dr. Nagy Gergely

Bevezetés

A transzkripciós faktorok (TF-ok) olyan fehérjék, amelyek képesek a DNS-hez szekvencia-specifikusan kötődni. Ez azt jelenti, hogy bizonyos oldalláncaik alkalmasak arra, hogy ideiglenesen nagyszámú másodlagos kémiai kötést alakítsanak ki bizonyos egymást követő bázispárokkal a DNS nagy és/vagy kis árkában, valamint a cukor-foszfát vázzal, döntően annak is a negatívan töltött foszfát részével. Az egymást követő bázispárok sorrendje (szekvenciája) így meghatározza, hogy melyek azok a DNS szakaszok, ahol egy TF több időt tölthet el (több, erősebb kölcsönhatást alakíthat ki), mint a genetikai anyag összességének (a genom) egyéb részein. A DNS ezen specifikus szakaszai (kötőhelyei) koevolúciót mutatnak a TF-ok DNS-kötő doménjeivel (DBD-ivel), és évmilliók alatt ez az együttműködés lett az alapja a gének bármilyen körülmények közötti megfelelő szabályozásának. A kötőhelyek egy része csoportokba rendeződik, így növelve nemcsak a DNS-fehérje, hanem a fehérje-fehérje kölcsönhatások számát is. Azonban nemcsak a TF-ok képesek a DNS felszínén együttműködni; kölcsönhatásaik és ebből fakadó szerkezetváltozásaik lehetővé teszik a további magi szabályozó fehérjékkel és egyéb, pl. RNS molekulákkal való együttműködést, amely végső soron képes hatékonyan (gyakran és eredményesen) elindítani a transzkripciós gépezetet. Ez leggyakrabban a promótereken történik meg, de vannak egyéb (az aktív promóterektől – csak lineárisan! – távoli) génszabályozó kötőhelyek is, amelyek nemcsak hozzájárulnak a génkifejeződés szabályozásához, de maguk is mutatnak transzkripciót, akár úgy is, ha csak egyetlen TF köti őket közvetlenül. Ezt a DNS háromdimenziós „gombolyag” természetével magyarázhatjuk, melyben a DNS-kötő és DNS-t nem kötő fehérjék csoportosulásai elősegítik bizonyos DNS hurkok stabilizálását, mely által a promóterek közel kerülhetnek a „távoli” szabályozó régiókhoz, ahol a transzkripciós gépezet ugyancsak mutathat aktivitást.

Kompozit elemek

A TF-ok többsége dimerként működik, tehát két TF komplexe foglal el egy dimer kötőhelyet. Ha két azonos TF alkot komplexet, homodimerről beszélhetünk, gyakoribb azonban, hogy két közel rokon TF alkot heterodimert, valamint előfordul az is, hogy egy heterodimer tagjai nem mutatnak semmilyen hasonlóságot. Az előbbi esetekben, ha azonos vagy közel rokon fehérjék alkotnak dimert, a dimer kötőhely is két hasonló – ritkábban azonos –, ún. félhelyből áll. A „félhely” kifejezés arra utal, hogy a monomer kötőhely önmagában nem feltétlenül működőképes, tehát mindkét félhely szükséges ahhoz, hogy a dimer hatékonyan kösse a DNS-t. Ha az asszociálódó TF-ok nincsenek rokonságban, tehát kötőhelyük eltérő, de együttműködésük konzervált, ún. összetett, másnéven kompozit elemeket is köthetnek. Ezek nem feltétlenül állnak kizárólag monomer kötőhelyekből, lehetnek egy dimer és egy monomer kötőhely vagy akár két dimer kötőhely összetételei is.

Az utóbbi években nagyszámú kompozit elemet fedeztek fel, bár ezek jelentősége és gyakorisága a genomban még kérdéses. Jolma és munkatársai sokezer „DBD pár” DNS-kötését vizsgálva többszáz lehetséges kompozit elemet találtak (Jolma et al. Nature. 2015). Egyik részletesebben vizsgált fehérjéjük a MEIS1 (myeloid ecotropic viral integration site 1) amellett, hogy homodimerként is képes volt közvetlenül DNS-t kötni, számos homeodomén fehérjével közösen is rendelkezett különböző kompozit elemekkel. Érdekes módon mind a DBD homodimer, mind pedig a vizsgált DBD heterodimer laza partnerséget mutatott, bár a teljes fehérjeszerkezetek ismeretének hiányában nem lehet megismerni a fehérjék viszonyát. Mindenesetre ez az adat azt sugallja, hogy a MEIS1 és lehetséges partnerei önállóan is képesek a DNS-kötésre, ehhez nincs feltétlenül szükség a dimer kialakulására. Más fehérjék esetében viszont feltételezhető a szorosabb kapcsolat a dimer tagjai között – elég, ha csak a leucin cipzár (bZIP, basic leucine zipper) szerkezetre és ennek viszonylag rövid célszekvenciáira gondolunk.

Jól ismert példa a kompozit elemekre az őssejtekre jellemző, ill. azokat meghatározó OCT4 (octamer-binding transcription factor 4; homeodomén) és SOX2 (sex determining region Y-box 2; high mobility group, HMG) fehérjék közös eleme, de a kis MAF-ok (musculoaponeurotic fibrosarcoma) CNC (Cap’n’collar) fehérjékkel alkotott heterodimereinek a kötőhelyeit is tekinthetjük kompozit elemeknek, mert félhelyeik eltérnek, még ha mindkét család a bZIP fehérjékhez tartozik is. Van a bZIP szupercsaládban egy másik példa is: a C/EBP (CCAAT/enhancer-binding protein) és ATF4 (activating transcription factor 4) fehérjék egy szokatlan elemet (CARE) kötnek, amelyben az ATF-ek jellemző félhelyétől eltérő (TGAC helyett TGAT) szekvencia található. Úgy tűnik, ez az eltérés jellemző a heterodimerre, de az ATF4 egyéb dimerei döntően az általános félhelyet kötik.

Az ETS szupercsalád és az immunsejtek kompozit elemei

Az ETS (erythroblast transformation-specific) szupercsalád legalább két tagjáról ismert, hogy heterodimert alkotnak más típusú TF-okkal. Az ELK1 (ETS-like 1) és GCM1 (glial cells missing transcription factor 1) fehérjék heterodimerei többféle kompozit elemet is képesek kötni, és érdekes módon mindegyik szuboptimálisnak tűnik a monomer kötőhelyek magját környező bázispárok tekintetében (Jolma et al. Nature. 2015). Ez azt jelenti, hogy ezek a kompozit elemek kisebb affinitással köthetőek a monomerek által, ill. elősegítik a specifikus heterodimerek általi DNS kötést.

A másik, régóta ismert heterodimert képző ETS fehérje a PU.1 (purine-rich nucleic acid binding protein 1), amely fehérvérsejtekben – pl. makrofágokban, dendritikus sejtekben és limfocitákban is – az IRF4-gyel vagy IRF8-cal (interferon regulatory factor 4/8) képez heterodimert. Ezek a dimerek több tízezer kötőhelyet foglalnak el a genomban, mely által kijelölik a sejtekre jellemző szabályozási keret jelentős részét, ezért mester TF-nak is nevezik őket. A korábbi eredmények alapján ez a két fehérje kétféle dimert is alkothat egymással, és ennek függvényében kétféle kompozit elemük létezik. Az ETS:IRF kompozit elemben (EICE) két bázispár választja el a monomer kötőhelyek magjait, míg az ún. ETS:IRF válaszadó elemben (EIRE) három – bár ez utóbbi egyáltalán nem szokott feldúsulást mutatni a motívumkeresések során, tehát nem lehet túl gyakori. Leírtak IRF:ETS kompozit szekvenciákat (IECS) is – ez a kötőhely tartozik a másik lehetséges konformációhoz, és szokott is feldúsulást mutatni –, de nehéz eldönteni, hogy az IRF valóban közvetlenül köti-e az adeninben gazdag régiót, vagy ez csak a PU.1 számára szükséges szekvenciakiterjesztés.

Az IRF4 és 8 nemcsak a PU.1-gyel, hanem AP-1 jellegű fehérjékkel is képes szorosan együttműködni immunsejtekben. Glasmacher és kollégái AP-1:IRF kompozit elemnek (AICE) nevezték el azokat a szekvenciákat, melyeket a JUNB/BATF (ju-nana [=17] b / basic leucine zipper ATF-like transcription factor) és IRF4 vagy 8 fehérjék együttesen elfoglalnak (Glasmacher et al. Science. 2012). Az interferon-béta promóter-közeli enhanszere pedig ennél még inkább összetett: összesen 8 fehérje – 2 bZIP, 4 IRF és 2 NFKB (nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells) – képes egyidejűleg kötni, mintegy gyöngysorként, amelyet enhanszeoszómának neveztek el (Panne et al. Cell. 2007). E komplex szerkezete (beleértve a DNS-t kötő TF-okon felüli egyéb szabályozó molekulákat is) egyedi, de minden bizonnyal nagyon sok hasonló komplex működik még sejtjeinkben, melyek felfedezése talán már nem várat sokat magára.

Fontosabb rövidítések: TF – transzkripciós faktor, DBD – DNS-kötő domén, bZIP – leucin cipzár (domén és szupercsalád)

Az Emberi Erőforrások Minisztériuma ÚNKP-20-5-DE-276 kódszámú
Új Nemzeti Kiválóság Programjának támogatásával készült.