|
|
Рецензенты кандидат химических наук В. Г. Коробко доктор биологических наук В. А. Гвоздев Патрушев Л. И
При обсуждении механизмов внутриклеточной передачи сигнала были упомянуты регуляторные белки, взаимодействующие со специфическими последовательностями нуклеотидов генов и получившие название факторов транскрипции. Именно эти белки вносят основной вклад в тонко регулируемую экспрессию генов на уровне транскрипции. Больше тысячи таких белков разных организмов уже идентифицированы, а общее их число, по некоторым оценкам, составляет не менее нескольких тысяч. В табл. I.13 суммирована информация о 996 известных факторах транскрипции, представленная в базе данных TRANSFAC к концу 1999 г. в соответствии с классификацией, принятой в той же базе данных. Эта классификация основана на гомологии первичных и вторичных структур факторов транскрипции. Каждому фактору соответствует пятизначный цифровой код, первая цифра которого относится к суперклассу, вторая – к классу, третья – к семейству, четвертая – к подсемейству и, наконец, пятая является видовой характеристикой фактора.
Все известные факторы транскрипции на основании гомологии первичных структур их полипептидных цепей разделяют на четыре больших суперкласса: 1) факторы с доменами, обогащенными основными аминокислотами (284 фактора); 2) факторы с ДНК-связывающими доменами, координирующими ионы Zn2+ (148 факторов); 3) факторы, содержащие домены типа "спираль–поворот–спираль" (369 факторов); 4) факторы, содержащие домены типа -scaffold, образующие контакты с малой бороздкой ДНК (156 факторов). Кроме того, 39 факторов, не попадающих по своим структурным особенностям ни в один из вышеперечисленных суперклассов, отнесены к суперклассу 0. Внутри суперклассов факторы разделяются на классы структурно родственных белков, которые, в свою очередь, подразделяются на семейства и подсемейства. Такое разнообразие регуляторных белков у эукариот обусловлено наличием у них большого количества генов и необходимостью тонкой регуляции их экспрессии на протяжении жизненного цикла.
Таблица I.13
Классификация факторов транскрипции
Фактор транскрипции
|
Характеристика
|
Суперкласс 1: факторы с основными доменами (basic domains)
Класс 1.1: факторы с доменами типа "лейциновая застежка" (leucine zipper) (bZIP)
|
К ДНК-связывающему участку полипептидной цепи, обогащенному основными аминокислотными остатками, примыкает домен типа "лейциновая застежка", в котором каждым седьмым аминокислотным остатком является Leu. Этот домен обеспечивает димеризацию факторов, необходимую для их взаимодействия с ДНК. Все боковые остатки Leu выступают с одной стороны -спирали и при воздействии двух полипептидных цепей переплетаются друг с другом, как в застежке-молнии, что обеспечивает специфичность димеризации. Во время взаимодействия димера с ДНК основные участки полипептидных цепей также приобретают -спиральную конформацию. Предполагают, что два -спиральных участка А и В, разделенные точкой перегиба, при связывании с ДНК захватывают ее наподобие ножниц. При этом ДНК контактирует с полипептидными цепями своей большой бороздкой на протяжении одного витка спирали.
В классе семь семейств: 1) AP-1-подобные факторы (включает семь подсемейств: Jun, Fos, Maf, NF-E2, AP-1-подобные факторы грибов, CRE-BP/ATF и прочие факторы; всего 47 факторов); 2) CREB (CREB, ATF-1, CREM, BBF-2, dCREB2, SCO1, HAC1, Pcr1; всего 31 фактор); 3) С/EBP-подобные факторы (C/EBP–, CHOP-10; всего 13 факторов); 4) bZIP/PAR (DBP, VBP, Hlf, TEF; всего четыре фактора); 5) G-бокс-связывающие факторы растений (пять подсемейств: CPRF-2, EmBP-1, HBP-1a, TGA-1a, TGA-1b; всего 24 фактора); 6) только ZIP (SWI6, STE4; всего пять факторов); 7) другие факторы bZIP (Giant, OPI1). Общее число известных факторов в классе – 126.
|
Класс 1.2: факторы с доменами типа "спираль–петля–спираль" (helix–loop–helix) (bHLH)
|
К ДНК-связывающему участку полипептидной цепи, обогащенному основными аминокислотными остатками, примыкают две амфипатические -спирали (см. ниже), соединенные друг с другом полипептидными петлями разной длины. Мотив "спираль–петля–спираль" (HLH) обеспечивает димеризацию факторов и их взаимодействие с ДНК, а область факторов, обогащенная основными аминокислотами, определяет специфичность ДНК-белкового взаимодействия. Во время димеризации -спирализация полипептидных цепей факторов может значительно усиливаться, а после связывания димеров с ДНК основные домены также -спирализуются. В димере все четыре HLH-домена, по-видимому, ориентированы параллельно друг другу.
В классе девять семейств: 1) повсеместно распространенные факторы (класс А) (E2A, HEB/SCBP, Daughterless; всего девять факторов); 2) миогенные факторы транскрипции (MyoD, Myogenin, Myf-5; всего восемь факторов); 3) Achaete–Scute (Scute, Achaete, MASH-1; всего девять факторов); 4) Tal/Twist/Atonal/Hen (подсемейства: лимфоидные факторы, мезодермальные Twist-подобные факторы, HEN, Atonal, панкреатические факторы; всего 27 факторов); 5) Hairy (подсемейства: Hairy, Esp, регуляторы грибов; всего 12 факторов); 6) факторы с PAS-доменом (Ahr, Arnt; всего четыре фактора); 7) INO (INO2, INO4); 8) факторы, содержащие только HLH-домен (Emc, Id1, Olf-1;
всего девять факторов); 9) другие bHLH-факторы (Deliah, Lc, CBF1). Общее число известных факторов в классе – 82.
|
Класс 1.3: факторы с двойными доменами спираль–петля–спираль/лейциновая застежка (bHLH–ZIP)
|
ДНК-связывающий участок обогащен остатками основных аминокислот, к которому примыкают две амфипатические -спирали, соединенные полипептидной петлей, а также домен типа "лейциновая застежка". HLH-мотив обеспечивает димеризацию факторов, необходимую для их взаимодействия с ДНК. В димеризации также участвуют остатки Leu мотива "застежка". У факторов, связавшихся с ДНК, значительно усиливается -спирализация полипептидных цепей. В димерах HLH-домены ориентированы параллельно друг другу. Область, обогащенная основными аминокислотами, обеспечивает специфичность взаимодействия факторов с ДНК.
В классе два семейства: 1) повсеместно распространенные факторы bHLH–ZIP (подсемейства: TFE3, USF, SREBP, AP-4; всего 16 факторов); 2) факторы, контролирующие клеточный цикл (Myc, Mad/Max, E2F, DRTF; всего 26 факторов). Общее число известных факторов в классе – 42.
|
Класс 1.4: NF-1
|
В классе одно семейство ядерных факторов NF-1 (22 фактора).
|
Класс 1.5: RF-X
|
Фактор RF-X1 идентифицирован как трансактиватор энхансера I вируса гепатита В, входит в состав семейства гомодимерных и гетеродимерных факторов транскрипции.
В классе одно семейство RF-X, включающее 5 представителей: RF-X1–RF-X5
|
Класс 1.6: bHSH
|
В классе одно семейство AP-2 (AP-2α, AP-2β, AP-2γ). Общее число известных факторов в классе – семь.
|
Суперкласс 2: факторы с ДНК-связывающими доменами, содержащими ион цинка в координационном центре
Класс 2.1: факторы типа ядерных рецепторов, содержащие мотив "цинковые пальцы" Cys4
|
Все факторы содержат домен "цинковые пальцы", характерный для ядерных рецепторов. По два таких домена различного размера, аминокислотного состава и механизма действия присутствуют в каждой молекуле рецептора. Каждый палец содержит четыре остатка Cys, координирующих ион Zn2+. Половина домена, включающая вторую пару остатков Cys, образует -спираль. Спираль первого пальца взаимодействует с большой бороздкой ДНК. Последовательность между первыми двумя остатками Cys обеспечивает димеризацию факторов, связавшихся с ДНК.
В классе два семейства: 1) рецепторы стероидных гормонов (подсемейства: рецепторы кортикоидов (GR), прогестерона (PR), андрогенов (AR), эстрогенов (ER); всего десять факторов); 2) факторы, подобные рецепторам тиреоидных гормонов (подсемейства: рецепторы ретиноевой кислоты (RAR), ретиноида X (RXR), тиреоидных гормонов (T3R), витамина D (VDR), NGFI-B, FTZ-F1, PPAR, EcR, ROR, TII/COUP, HNF-4, CFI, Knirps; всего 69 факторов).
|
Класс 2.2: факторы с разными доменами типа "цинковые пальцы" Cys4
|
Каждая молекула факторов содержит по два домена типа "цинковые пальцы" GATA-типа. Каждый палец включает четыре остатка Cys, по-видимому, координирующих один ион Zn2+, однако хелатные агенты не подавляют взаимодействие факторов с ДНК.
В классе три семейства: 1) GATA-факторы (подсемейства: GATA-факторы позвоночных и метаболические регуляторы грибов, всего девять факторов); 2) Trithorax (Ttx, Hrx); 3) прочие факторы (BUF2); всего 12 факторов.
|
Класс 2.3: факторы с доменами типа "цинковые пальцы" Cys2His2
|
Все факторы содержат мотив "цинковые пальцы" типа TFIIIA/Krueppel, в котором каждый палец включает по два остатка Cys и His, координирующих ион Zn2+. В некоторых случаях один остаток His может быть заменен на остаток Cys. Ион Zn2+ необходим для взаимодействия факторов с ДНК. Первая половина аминокислотной последовательности пальца обычно образует два антипараллельных -слоя, а вторая половина организована в -спираль и частично 3–10-спираль. Гидрофобные связи между -слоями и -спиралями образуются при участии консервативных остатков Phe и Leu. Факторы взаимодействуют с большой бороздкой ДНК -спиральными участками полипептидных цепей. Последовательность аминокислот, связывающая пальцы, чаще всего TGEKPI.
В классе пять семейств: 1) повсеместно распространенные факторы (TFIIIA, Sp1, YY1; всего пять факторов); 2) регуляторы развития или клеточного цикла (подсемейства: Egr/Krox, Kruppel-подобные факторы, GLI-подобные факторы и прочие факторы; всего 36 факторов); 3) метаболические регуляторы грибов (CE2, CreA; всего шесть факторов); 4) большие факторы с NF-6B-подобными ДНК-связывающими свойствами (HIV-EP1, A-CRYBP1, AGIE-BP1; всего шесть факторов); 5) регуляторы вирусов (T-Ag). Всего в классе 55 факторов.
|
Класс 2.4: факторы, содержащие кластер из шести остатков Cys, координирующих два иона Zn2+
|
Все факторы содержат кластер из шести остатков Cys, координирующих два иона Zn2+. Это означает, что две из шести SH-групп координируют по два иона Zn2+ каждая. Часто встречаются у грибов.
В классе одно семейство: метаболические регуляторы грибов (ARG RII, GAL4, UGA3; всего 11 факторов).
|
Класс 2.5: факторы, содержащие домены типа "цинковые пальцы" переменного состава
|
В классе два семейства: 1) факторы с доменами типа "цинковые пальцы" Cx7Hx8Cx4 (BAF1); 2) факторы с доменами типа "цинковые пальцы" Cx2Hx4Hx4C (Bir3). Всего в классе два фактора.
|
Суперкласс 3: факторы с доменами типа "спираль–поворот–спираль"
|
|
Класс 3.1: факторы, содержащие гомеодомены
|
Все факторы содержат в полипептидных цепях три последовательно расположенных -спиральных участка. Спираль 3 контактирует преимущественно с большой бороздкой ДНК, однако обнаружены контакты и с малой бороздкой. Пространственное расположение спиралей 2 и 3 напоминает таковое у регуляторов транскрипции прокариот.
В классе четыре семейства: 1) факторы, содержащие только гомеодомены (подсемейства: AbdB, Antp, Cad, Cut, Dll, Ems, En, Eve, Prd, HD-ZIP, H2.0, HNF1, Lab, Msh, NK-2, Bcd, XANF, PBS, неопределенное; всего 158 факторов); 2) факторы, содержащие POU-домены (подсемейства: I, II, III, IV, V, VI, другие POU-факторы; всего 58 факторов); 3) факторы, содержащие гомеодомены с LIM-областью (подсемейства: факторы с гомеодоменами, содержащими LIM-область; (ко)факторы с гомеодоменами, содержащими только LIM-область, всего 15 факторов); 4) факторы с гомеодоменами и мотивами типа "цинковые пальцы" (представители: ATBF1, Zfh1; всего четыре фактора). Общее число известных факторов в классе – 235.
|
Класс 3.2: факторы, содержащие парный бокс
|
Все факторы содержат ДНК-связывающий домен длиной в 130 аминокислотных остатков. Как правило, его N-концевая половина обогащена основными аминокислотами, а C-концевая половина сильно поляризована. Домен, по-видимому, содержит три -спиральных участка.
В классе два семейства: 1) факторы, содержащие парный бокс и гомеодомен (Prd, Pax-3; всего семь факторов); 2) факторы, содержащие только парный бокс (Pax-1, Pax-2; всего девять факторов).
|
Класс 3.3: факторы, содержащие домены типа "Fork head/winged helix"
|
Сгруппированы на основании гомологии с факторами транскрипции HNF-3 мышей и Fkh дрозофилы. Домен составлен из 110 аминокислотных остатков, которые компактно организованы в три -спиральных участка. Третья -спираль контактирует с большой бороздкой ДНК. Домен образует также несколько контактов с малой бороздкой. Взаимодействие факторов с ДНК приводит к ее изгибу под углом 13°.
В классе три семейства: 1) регуляторы развития (представители: Fkh, Slp1, всего 11 факторов); 2) тканеспецифические регуляторы (представители: HNF-3, SGF-1, всего пять факторов); 3) другие регуляторы (представители: ILF, FKHR, HTLF, всего 26 факторов).
|
Класс 3.4: факторы теплового шока
|
Взаимодействуют с ДНК, организованной в нуклеосомы, только в присутствии основного фактора транскрипции TBP.
В классе одно семейство HSF (девять факторов).
|
Класс 3.5: факторы, содержащие кластеры Trp
|
Полипептидные цепи факторов содержат кластеры смежных триптофановых остатков. Кластеры разделены участками цепи длиной 12–21 остаток (в семействе Myb 19–21 остаток).
В классе три семейства: 1) Myb (Myb и Myb-подобные факторы соответственно 15 и пять факторов); 2) факторы Ets-типа (c-Ets-1, Erg-1; всего 36 факторов); 3) факторы, регулируемые интерфероном (IRF-1, Pip; всего семь факторов). Всего в классе 63 фактора.
|
Класс 3.6: факторы, содержащие TEA-домены
|
TEA-домен полипептидной цепи, содержит три α-спирали. Между спиралями 1 и 2 расположены 16–18 остатков аминокислот, а между спиралями 2 и 3 – три–восемь остатков, с неупорядоченной пространственной структурой. Установлено, что указанный домен фактора TEF-1 взаимодействует с ДНК и, по крайней мере, еще два участка полипептидной цепи создают контакты фактора с матрицей.
В классе одно семейство TEA (представители: TEF-1, Sd, всего четыре фактора).
|
Суперкласс 4: факторы с доменами -Scaffold, контактирующие с малой бороздкой ДНК
Класс 4.1: факторы, содержащие RHR-домен (Rel homology region)
|
ДНК-связывающий домен Rel-типа содержит два субдомена, каждый из которых организован в два β-цилиндра с пятью петлями, участвующими в контактах с большой бороздкой ДНК. Наибольший вклад в специфичность взаимодействия вносит первая петля N-концевого субдомена, которая сильно консервативна. Участие полипептидных петель в контактах белок–ДНК обеспечивает факторам возможность взаимодействия с разными нуклеотидными последовательностями. Дополнительные взаимодействия осуществляются через α-спиральные участки N-концевых частей факторов, которые образуют прочные контакты с малой бороздкой ДНК. Второй C-концевой домен обеспечивает главным образом димеризацию белков.
В классе 3 семейства: 1) Rel/ankyrin-факторы (NF-B1, RelA; всего 11 факторов); 2) только ankyrin-факторы (IB, Bcl-3; всего 8 факторов), 3) NF-AT (6 факторов). Общее число факторов – 25.
|
Класс 4.2: p53
|
ДНК-связывающий домен организован в виде β-сэндвича, который является остовом для двух больших петель и мотива типа "петля–слой–спираль". N-Концевые участки трех петель (остатки 112–124) образуют контакты с большой бороздкой ДНК в каноническом сайте связывания, тогда как C-концевая петля (остатки 236–251) связывают малую бороздку в AT-богатом центре сайта связывания. Остаток Arg-248 C-концевой части ДНК-связывающего домена, который чаще всего изменяется под действием мутаций, образует дополнительные контакты с малой бороздкой. Ион Zn2+ связывается остатками Cys-176 и His-179, находящимися в составе мотива "петля–спираль", а также остатками Cys-238 и Cys-242 (в составе С-концевой петли).
В классе одно семейство p53 (p53 и p53as).
|
Класс 4.3: факторы, содержащие MADS-бокс
|
ДНК-сязывающие домены обеспечивают димеризацию факторов. В димере, связанном с ДНК, как это показано для фактора SRF, две амфипатические -спирали образуют соленоид (coiled coil) и ориентированы вдоль малой бороздки ДНК. Эти спирали формируют контакты с большой и малой бороздками. В месте изгиба ДНК обернута вокруг белка. В центре изгиба малая бороздка сжата, а по бокам большие бороздки растянуты.
В классе три семейства: 1) регуляторы дифференцировки (подсемейства: MEF-2A-D, факторы гомеотических генов, регуляторы дрожжей; всего 53 фактора); 2) респондеры внешних сигналов (два представителя: SRF, RLM1); 3) регуляторы метаболизма (один представитель: ARG RI). Общее число факторов – 57.
|
Класс 4.4: факторы, содержащие -цилиндр (barrel) и -спиральные участки
|
В классе одно семейство E2 (E2 и EBNA-1).
|
Класс 4.5: TATA-связывающие белки
|
Для полипептидов характерны консервативный С-концевой и дивергировавший N-концевой участки. Последний необходим для взаимодействия с промоторами Pol II и Pol III, содержащими TATA-бокс, но не с промоторами Pol I, в которых эта последовательность отсутствует. Может связывать ДНК в виде мономера, сгибая молекулу; входит в состав различных TAF.
В классе одно семейство: TBP (с одним представителем TBP).
|
Класс 4.6: HMG-факторы
|
Белки этого класса обладают гомологией с хромосомными белками, принадлежащими к группе негистоновых белков с высокой электрофоретической подвижностью (HMG). Участок гомологии содержит ДНК-связывающий домен, который в одних случаях, как и у HMG1, обеспечивает белкам неспецифическое взаимодействие с ДНК, а в других (например у фактора LEF-1) – сайт-специфическое. Домен обнаруживает типичную конформацию в форме буквы L с тремя α-спиралями. Третья спираль вместе с N-концевой частью спирали 1 далеко выдвинуты и образуют длинную часть L-образного домена, а C-концевая часть спирали 1 и спираль 2 – короткую. Взаимодействие с малой бороздкой ДНК вызывает резкий (более чем на 90°) ее изгиб в сторону от белка. Общая топология комплекса напоминает таковую комплекса TBP–TATA-бокс.
В классе шесть семейств: 1) SOX (SRY, Sox; всего 15 факторов); 2) TCF-1 (всего 12 факторов); 3) HMG2-подобные факторы (SSRP1, Ixr1; всего четыре фактора); 4) UBF (три фактора); 5) MATA (один фактор: mat-Mc); 6) прочие факторы, содержащие HMG-бокс (всего три фактора). Общее число факторов – 38.
|
Класс 4.7: гетеромерные CCAAT-факторы
|
Включает одно семейство: гетеромерные CCAAT-факторы (CP1A/HAP3, CBF-C/HAP-4). Общее число факторов – шесть.
|
Класс 4.8: Grainyhead
|
Включает одно семейство Grainyhead. Всего в классе три фактора: CP2, LBP-1a и Grainyhead
|
Класс 4.9: факторы с доменом холодового шока
|
Обладают протамино-подобным доменом: последовательностью аминокислот с большим суммарным положительным зарядом, содержащей неупорядоченные остатки Pro.
Включает одно семейство csd с семью факторами (DbpA–B, FRG, YВ1–3 и др.).
|
Класс 4.10: Runt
|
Белки этого класса обладают гомологией с характерным участком полипептидной цепи белка Runt дрозофилы. Домен Runt является частью ДНК-связывающего домена этих факторов. Он сформирован в основном β-слоями, которые не содержат α-спиральных участков, и напоминает домен типа пальмовой ветви, обнаруженный у ДНК-полимеразы β крыс.
В классе одно семейство: Runt. (PEBP2, Runt; всего 15 факторов).
|
Суперкласс 0: прочие факторы транскрипции
|
|
Класс 0.1: медь-связывающие белки
|
Медь-зависимый активатор гена металлотионеина (CUP1) у дрожжей. Не содержит доменов типа "цинковые пальцы".
В классе одно семейство: регуляторы грибов (всего два фактора: ACE1/CUP2 и AMT1).
|
Класс 0.2: HMGI(Y)
|
Вспомогательные факторы для других факторов транскрипции, таких как NF-B или ATF-2. Облегчают их включение в транскрипционный комплекс.
В классе одно семейство: HMGI (Y), включающее четыре фактора.
|
Класс 0.3: STAT
|
Содержат домен, подобный лейциновой застежке, а также ДНК-связывающий домен, определяющий специфичность взаимодействия факторов с ДНК. Содержат домены SH2 и SH3, первый из которых необходим для гомо- и гетеродимеризации факторов, фосфорилированных по остатку Tyr. Опосредуют перенос сигналов фосфорилирования к генам, индуцируемым интерфероном.
В классе одно семейство: STAT, включающее восемь факторов.
|
Класс 0.4: факторы, содержащие домен Pocket
|
В классе два семейства: 1) Rb (Rb – продукт антионкогена ретинобластомы и p107); 2) CBP (один представитель).
|
Класс 0.5: E1A-подобные факторы
|
В классе одно семейство: E1A (два представителя).
|
Класс 0.6: AP2/EREBP-подобные факторы
|
В классе три семейства: AP2 (четыре фактора); EREBP (ABI4, EBP, ERF1, TINI, всего 14 представителей); AP2/B3 (RAV1 и RAV2).
|
Ниже будут подробнее рассмотрены особенности структуры некоторых наиболее часто встречающихся структурно-функциональных доменов факторов транскрипции и механизмы их регуляторного действия на транскрипцию генов.
|
|
|
Скачать 5.83 Mb.