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Ineukaryotischen Zellen gibt es drei verschiedenen RNA polymerasen (RNAPol). Jeder RNA Pol ist eine andere Klasse der Transkriptionzugeordnet: PolI transkribiert rRNA (ribosomale RNA), PolII mRNA(messenger RNA) und PolIII tRNA (transfer RNA) und andere kurze RNAs.Jedes Protein, welches zur Initiierung des Transkriptionsvorgangesbenötigt wird, wird als Transkriptionsfaktor bezeichnet. VieleTranskriptionsfaktoren funktionieren, indem sie cis-agierendeDNA-Regionen erkennen, die Teil eines Promoters oder Enhancers sind.Die Bindung an die DNA ist jedoch nicht die einzige Aktionsweiseeines Transkriptionsfaktors. Ein Transkriptionsfaktor kann einenanderen Transkriptionsfaktor oder RNA Polymerasen erkennen. InEukaryoten sind es eher die Transkriptionsfaktoren, und nicht dieEnzyme selber (Polymerasen), die einen Promoter erkennen.
Transkriptionsfaktorenkönnen spezifische Muster kurzer konervierter Sequenzen binden,die Bestandteil jedes Promoters sind. Einige dieser Elemente undFaktoren sind häufig und finden sich in vielen Promotoren, wosie konstitutiv verwendet werden. Andere Elemenete sind spezifischund in ihrer Verwendung reguliert.
DieFaktoren, die RNA PolII assistieren, können in 3 Gruppenunterteilt werden:
Die allgemeinenFaktoren, die für die Initiierung der RNA-Synthese beiallen Klasse II Promotoren gebraucht werden (kodierende Gene).Zusammen mit RNA PolII bilden sie einen Komplex, der denTranskriptionsstart umfasst, wodurch sie die Stelle der Initiierungbestimmen. Dieser Komplex bildet den "basal transcriptionapparatus", den basalen Transkriptionsapparat.
Die UpstreamFaktoren sind DNA-bindenden Proteine, die spezifische kurzeKonsensus-Elemenete erkennen, die sich "oberhalb" oder 5’des Transkriptionsstartpunktes befinden (z.B. Sp1, das die GC Boxbindet). Diese Faktoren sind ubiquitär und wirken auf jedenPromoter, der eine entsprechende Bindungsstelle besitzt. Sie erhöhendie Effizienz der Initiation.
Die induzierbarenFaktore funktionieren ähnlich wie die UpstreamFaktoren, haben jedoch eine regulative Rolle. Sie werden zeit- undgewebeabhängig synthetisiert oder aktiviert. Die von ihnengebundenen Sequenzen nennt man response elements.
DasRNA Pol II Enzym kann Transkription nicht alleine initiieren, sondernist von Hilfs-Transkriptionsfaktoren (TFIIX genannt, wobei "X"ein Buchstabe ist, der den individuellen Faktor identifiziert)abhängig. Das Enzym bildet mit diesen Hilfsfaktoren den basalen(oder minimalen) Transkriptionsapparat, der gebraucht wird, um einenKlasse II Promoter zu transkribieren.
DieEffizienz und Spezifität, mit der ein Promoter erkannt wird,hängt von kurzen Sequenzen ab, der sich "oberhalb"oder 5’ befindlichen TATA Box, die von Upstream Faktoren undinduzierbaren Faktoren erkannt wird. Beispiele für solcheSequenzen sind die CAAT Box, die eine groβe Rolle für dieBestimmung der Effizienz einen Promoters spielt und die inverschiedenen Promotoren von verschiedenen Faktoren erkannt wird. Soz.B. den Faktoren der CTF Familie, den Faktoren CP1 und CP2 und denFaktoren C/EBP und ACF. Die GC Box wird vom Faktor Sp1 erkannt. DieseFaktoren haben die Fähigkeit, mit einander durchProtein-Protein-Interaktionen zu interagieren. Die Hauptaufgabedieser Elemente ist es, die von ihnen gebundenen Faktoren in die Nähedes Initiationskomplexes zu bringen, wo Protein-Protein-Interaktionendie Effizienz der Initiationsreaktions bestimmen.
Figur1: Schematisches Modell für die Zusammenstellung dem basalenTranskriptionsapparat.
HäufigeMotive, die für das Binden der DNA verantwortlich sind, könnenin verschiedenen Transkriptionsfaktoren gefunden werden. Es gibtmehrere Gruppen von Proteinen, die die Transkription regulieren,indem sie bestimmte DNA-Motive binden.
DasHelix-Turn-Helix Motiv wurde ursprünglich als die DNA-bindendeDomäne von Phagenrepressoren gefunden. Eine a-Helix kommt in dergroβen Furche der DNA zu liegen, die andere liegt in einemWinkel quer zur DNA. Eine andere Form dieses Motivs ist in derHomeodomäne zu finden, eine Sequenz, die zu aller erst inProteinen charakterisiert wurde, die von Genen kodiert werden, die inder Embryonalentwicklung von Drosophila involviertsind. Sie ist ebenso in Genen vorhanden, die fürSäugertranskriptionsfaktoren kodieren. Die Homeobox ist eineSequenz, die für eine Domäne von 60 Aminosäurenkodiert. Die Homeodomäne ist für das Binden von DNAverantwortlich. Die Spezifizät der DNA-Erkennung liegt innerhalbder Homeodomäne. Die C-ter Region hat Homologie zumHelix-Turn-Helix Motiv von prokaryotischen Repressoren.
Zinkfingermotiveenthalten DNA-bindende Domänen. Dieses Motiv wurde zuerst imFaktor TFIIIA gefunden, der von RNA PolIII gebraucht wird, um 5S rRNAGene zu transkribieren. Diese Proteine haben ihren Namen von ihrerStruktur, in der eine kleine Anzahl von konservierten Aminosäurenein Zinkion binden. Zwei Arten von DNA-bindenden Proteinen habenStrukturen dieses Typus: die klassischen "Zinkfinger"-Proteineund die Steroidrezeptoren.
Ein"Fingerprotein" hat typischerweise eine Reihe vonZinkfingern, die Konsensussequenz eines einzelnen Fingers ist:
Cys-X2-4-Cys-X3-Phe-X3-Leu-X2-His-X3-His
DasMotiv hat seinen Namen von der Schleife der Aminosäuren, die vonder zink-bindenden Stelle herausragen und als Cys2/His2 Fingerbeschrieben wird.
DieseFinger sind gewöhnlich als einzelne Serien vonTandemwiederholungen angeordnet. Der Bereich der Finger reicht von 9Wiederholungen, der beinahe das gesamte Protein belegt (wie inTFIIIA), bis zu einer einzigen kleinen Domäne bestehend aus 2Fingern. Der allgemeine Transkriptionsfaktor Sp1 hat eineDNA-bindenden Domäne bestehend aus 3 Zinkfingern. DerC-terminale Teil jedes Fingers bildet eine a-helix,welche DNA bindet; der N-terminale Teil bildet b-Faltblätter.Die nicht-konservierten Aminosäuren der C-terminalen Seite jedesFingers sind verantwortlich für die Erkennung spezifischerZielstellen.
Steroidrezeptoren,die durch die Bindung bestimmter Steroide (z.B. Glucocroticoide,Schilddrüsenhormon, Retinolsäure) und einigen anderenProteinen aktiviert werden, haben einen anderen Fingertypus. DieStrukture basiert auf folgender Zink-bindender Konsensussequenz:
Cys-X2-Cys-X13-Cys-X2-Cys
Diesewerden Cys2/Cys2 Finger genannt. Proteinemit Cys2/Cys2 Fingern haben oftnicht-repetitive Finger im Gegensatz zu den Tandemwiederholungen desCys2/His2 Typs. Die Bindungsstellen an derDNA sind normalerweise kurz und palindromisch. Die Glucocorticoid-bzw strogenrezeptoren haben je 2 Finger, die a-Helicesbilden, die sich so falten, daβ sie eine groβe globuläreDomäne bilden.
EinLeuzinzipper ist eine Kette von Aminosäuren reich anLeucinmonomeren, die ein Dimerisationsmotiv zur Verfügungstellen. Dimerisation erlaubt die Nebeneinanderstellung derDNA-bindenden Region jeder Untereinheit. Ein Leucinzipper bildet eineamphipathische Helix, in der die Leucine des Zippers an einem Proteinaus der α-Helix hervorragen und mit den Leucinen des Zipperseines anderen Proteins fingerartig ineineandergreifen können umeine "coiled coil" Domäne zu bilden. Die Regionbenachbart den Leucienwiederholungen ist in beiden Zipperproteinehoch basich und kann eine DNA-Bindungsstelle umfassen. Die 2Leucinzipper bilden eine Y-geformte Struktur, in der die Zipper denStamm bilden und die 2 basischen Regionen symmetrisch bifurkate stedarstellen, die die DNA binden. Diese Struktur ist auch als bZIPStruktur-Motiv bekannt. Es erklärt, warum die Zielsequenzen fürsolche Proteine invertierte Wiederholungen ohne Separation sind.Zipper können unterstützend für die Bildung vonHomo-oder Heterodimeren verwendet werden. Es gibt 4 Wiederholungen imProtein C/EBP (ein Faktor, der als Dimer sowohl CAAT Box als auchSC40 Kernenhancer bindet), 5 Wiederholungen in den Faktoren Jun undFos (welche den heterodimerischen Transkriptionsfaktor AP1 bilden).
Dasamphipathische Helix-Loop-Helix (HLH) Motiv wurde in einigenRegulatoren der Embryonalentwicklung identifiziert bzw in Genen, diefür eukaryotische DNA-bindende Proteine kodieren. Die Proteine,welche dieses Motiv besitzen, haben sowohl die Fähigkeit, DNA zubinden als auch Dimere zu bilden. Sie verbindet ein gemeinsamerSequenzmotiv-Typ: ein Bereich von 40-50 Aminosäuren, der 2amphiöathische α-Helices getrennt durch eine Linkerregion(der Schleife/Loop) von unterschiedlicher Länge beinhaltet. DieProteine dieser Gruppe bilden Homo- und Heterodimere durchInteraktion zwischen den hydrophoben Monomeren auf den entsprechendenFlächen von 2 Helices. Die Fähigkeit, Dimere zu formen,kommt von diesen amphipathischen Helices und ist allen HLH Proteinengemeinsam.
Diemeisten HLH Proteine haben eine Region benachbart dem HLH Motivselbst, die hoch basich ist und für DNA-Bindung gebraucht wird.Mitglieder einer Gruppe mit einer solchen Region werden bHLH Proteinegenannt. Ein Dimer, in dem beide Untereinheiten eine solche basicheRegion besitzen, können DNA binden. HLH Proteine können in2 allgemeine Gruppen geteilt werden. Klasse A besteht aus Proteinen,die ubiquitär exprimiert werden, inklusive des SäugergensE12/E47. Klasse B besteht aus Proteinen, die gewebespezifischexprimiert werden, dazu gehören die Säugergene MyoD, Myf5,Myogenin und MRF4a (eine Gruppe von Transkriptionsfaktoren, die inder Myogenese oder Muskelentwicklung involviert sind, genannt myogeneRegulationsfaktoren oder MRFs). Ein gemeinsamer modusoperandi für die gewebe-spezifischen bHLH Proteinescheint zu sein, daβ sie Heterodimere mit universellen Partnernbilden. Es gibt auch eine Gruppe von Genprodukten, die dieEntwicklung des Nervensystem in Drosophilamelanogaster spezifizieren (in der Ac-S einegewebe-spezifische Komponente spezifiziert, und "da" dieallgemeine Komponente). Die Proteine Myc bilden eine eigene Klasseder bHLH Proteine.
Ubersetzung: Katrina Vanura
Valentina Guasconi~Hakima Yahi~Slimane Ait-Si-Ali
Atlas of Genetics and Cytogenetics in Oncology and Haematology 2022-05-17
Transkriptionsfaktoren
Online version: http://atlasgeneticsoncology.org/teaching/209046/transkriptionsfaktoren