Transkriptiotekijät – geenien säätelyn perusteet ja toiminta

Transkriptiotekijät – perusteet ja toiminta: miten ne sitoutuvat DNA:han, säätelevät geenien transkriptiota ja toimivat yhdessä kromatiini- ja koaktivaattoriproteiinien kanssa.

Transkriptiotekijät auttavat säätelemään geenejä. Kukin transkriptiotekijä sitoutuu tiettyyn DNA-sekvenssiin. Näin ne säätelevät geneettisen tiedon transkriptionopeutta DNA:sta lähetti- RNA:ksi.

Transkriptiotekijää kutsutaan joskus "sekvenssispesifiseksi DNA:ta sitovaksi tekijäksi". Yksin tai yhdessä muiden proteiinien kanssa ne edistävät tai estävät RNA-polymeraasia. RNA-polymeraasi on entsyymi, joka kopioi geneettistä tietoa DNA:sta RNA:ksi tiettyjä geenejä varten.

Transkriptiotekijöillä on yksi tai useampi DNA:ta sitova domeeni (DBD). Nämä kiinnittyvät niiden säätelemien geenien vieressä oleviin DNA-sekvensseihin. Myös muilla proteiineilla (kuten koaktivaattoreilla, kromatiinin muokkaajilla, histoniasetylaaseilla tai -deasetylaaseilla, kinaaseilla ja metylaaseilla) on ratkaiseva rooli geenien säätelyssä. Koska niiltä puuttuu DNA:ta sitova domeeni, niitä ei kutsuta transkriptiotekijöiksi.

Miten transkriptiotekijät säätelevät geenien ilmentymistä

Transkriptiotekijät toimivat sitoutumalla spesifisiin DNA-motiiveihin promootterien, enhancerien tai repressorialueiden läheisyydessä. Sitoutuminen voi:

• suoraan rekrytoida tai stabiloida yleisiä transkriptiotekijöitä ja RNA-polymeraasia, jolloin transkriptio käynnistyy;
• houkutella koaktivaattoreita ja kromatiinin muokkaajia, jotka avaavat kromatiinirakennetta ja lisäävät DNA:n saavutettavuutta;
• tai rekrytoida suppressoreita ja deasetylaaseja, jotka tiivistävät kromatiinia ja estävät transkriptiota.

Monet geenit vaativat useiden transkriptiotekijöiden yhteistoimintaa — niin kutsuttua kombinatorista säätelyä — jotta ilmentyminen olisi tarkasti aikaan ja solutyyppiin sidottua. Lisäksi transkriptiotekijöiden toiminta voi olla riippuvaista solun sisäisistä signaaleista: niiden aktiivisuutta säätelevät usein post-translationaaliset muutokset (esim. fosforylaatio, asetylaatio, ubiquitinaatio) ja niiden kulkeutuminen tumaan tai sieltä pois.

Rakenteellisia tyyppejä ja esimerkkejä

DNA:ta sitovia domeeneja on useita rakenteellisia luokkia, esimerkiksi:

• zinc finger -domeeni (sinkkisormet),
• leucine zipper -dimeerityyppi,
• homeodomain- ja helix-turn-helix -rakenteet.

Tunnettuja transkriptiotekijöitä ovat esimerkiksi p53 (solupotilan valvonta ja apoptoosi), NF-κB (tulehdusvaste) ja steroidireseptorit (hormonivälitteinen geenien säätely). Osa tekijöistä, kuten niin sanotut pioneer factors, pystyy sitoutumaan tiukkaan pakattuun kromatiiniin ja aloittamaan alueen avaamisen muille tekijöille.

Kromatiini ja muut säätelijät

Kromatiinirakenne on keskeinen tekijä transkription sääntelyssä: histonien kemialliset muutokset ja kromatiinia remodelloivat kompleksit (esim. SWI/SNF) muuttavat DNA:n saavutettavuutta. Koaktivaattorit, histoniasetylaasit, deasetylaasit ja metylaasit eivät välttämättä sitoudu DNA:han itse, mutta vaikuttavat voimakkaasti transkriptiotekijöiden kautta — siksi niitä käsitellään transkriptiota säätelevinä, vaikkakin eri tavalla kuin sekvenssispesifiset tekijät.

Merkitys terveydelle ja tutkimuksessa

Transkriptiotekijöiden toimintahäiriöt liittyvät moniin sairauksiin: mutaatiot, yliekspressio, fuusioproteiinit (esim. joidenkin leukemioiden konsolidoituminen) tai virusten tuottamat TF-vaikutteiset proteiinit voivat johtaa epäasianmukaiseen geeniekspressioon ja solun toiminnan häiriöihin. Transkriptiotekijät ovat siksi sekä diagnostiikan että lääkeainetutkimuksen tärkeitä kohteita.

Tutkimuksessa usein käytettyjä menetelmiä transkriptiotekijöiden tutkimiseen ovat:

• ChIP-seq (chromatin immunoprecipitation sequencing) — kartoittaa TF:n sitoutumiskohdat genomissa,
• EMSA (electrophoretic mobility shift assay) — havaitsee proteiinin ja DNA:n vuorovaikutuksen in vitro,
• raporttigeenianalyysit (esim. luciferase) — mittaavat säätelyelementtien vaikutusta transkription voimakkuuteen,
• genominmuokkaus (CRISPR/Cas-pohjaiset menetelmät) TF:n toiminnan modulointiin ja toiminnallisten sitoimiskohteiden testaamiseen.

Sanasto:

• Transkriptiotekijä: Proteiini, joka sitoutuu DNA:han spesifisesti ja säätelee geenien transkriptiota.
• DNA:ta sitova domeeni (DBD): Proteiinin osa, joka tunnistaa ja sitoutuu tiettyihin DNA-sekvensseihin.
• Promootteri: Geenin lähellä oleva DNA-alue, johon yleiset transkriptiotekijät ja RNA-polymeraasi kiinnittyvät aloittaakseen transkription.
• Enhancer: Etäällä sijaitseva säätelyelementti, joka voi lisätä geenin ilmentymistä kolmiulotteisen kromatiinirakenteen kautta.
• Koaktivaattori / Korepressori: Proteiini, joka muokkaa transkriptiotekijöiden vaikutusta ilman, että se itse sitoutuu suoraan DNA:han.
• Kromatiini: DNA ja siihen sitoutuneet proteiinit (mm. histonit), joiden rakenne vaikuttaa geenien saavutettavuuteen.
• Lähetti-RNA (mRNA): DNA:sta kopioitu RNA-muoto, joka toimii mallina proteiinisynteesissä.
• RNA-polymeraasi: Entsyymi, joka polymeroi RNA:ta DNA-mallin mukaan.
• Post-translationaalinen muokkaus: Muutokset (esim. fosforylaatio, asetylaatio), jotka muuttavat proteiinin aktiivisuutta tai sijaintia.
• ChIP-seq: Menetelmä, jolla määritetään proteiinin sitoutumiskohdat genomissa.

Kysymyksiä ja vastauksia

Q: Mitä ovat transkriptiotekijät?

K: Miten transkriptiotekijät säätelevät geeniekspressiota?

K: Mikä on RNA-polymeraasi?

K: Mitä ovat DNA:ta sitovat domeenit (DBD)?

K: Mitä ovat koaktivaattorit, kromatiinin uudelleenmuokkaajat, histoniasetylaasit tai -deasetylaasit, kinaasit ja metylaasit?

K: Miksi koaktivaattoreita, kromatiinin remodellaattoreita, histoniasetylaaseja tai -deasetylaaseja, kinaaseja ja metylaaseja ei kutsuta transkriptiotekijöiksi?

K: Mikä on sekvenssispesifinen DNA:ta sitova tekijä?

Hae kirjaimella