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D8. Klassifizierung von Transkriptionsfaktoren - Biologie

D8. Klassifizierung von Transkriptionsfaktoren - Biologie



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Wie aus dem Vorstehenden abgeleitet, können Transkriptionsfaktoren basierend auf ihrer Proteinstruktur klassifiziert werden. Die Klassen von Transkriptionsfaktoren umfassen die folgenden:

  • konstitutiv aktiv: sind immer im Zellkern aktiv und aktivieren wahrscheinlich die Transkription von Genen, die immer eingeschaltet sein müssen;

Der Rest muss auf irgendeine Weise aktiviert werden, darunter:

  • entwicklungs- oder zelltypspezifisch, deren Gene (wahrscheinlich reguliert) transkribiert werden müssen, um den Transkriptionsfaktor zu bilden, der dann in den Zellkern gelangt;
  • signalabhängige Transkriptionsfaktoren, die durch ein Signalisierungsereignis aktiviert werden.

Es gibt Klassen von signalabhängigen Transkriptionsfaktoren, die aktiviert werden durch:

  • Steroide, bei denen es sich um Cholesterinderivate handelt, die die Zellmembran passieren und steroidspezifische Transkriptionsfaktoren binden können, die spezifische Gensätze aktivieren; die meisten dieser Transkriptionsfaktoren sind im Zellkern vorhanden und werden dort durch Steroidhormone aktiviert. Eine Ausnahme bildet der Glucocorticoid-Rezeptor (GR), der im Zytoplasma vorkommt;
  • interne Signale, die von der Zelle abgeleitet werden, wie zum Beispiel intern erzeugte Lipidsignale.
  • Zelloberflächenrezeptor-Ligand-Wechselwirkungen;

Es gibt zwei Arten von Rezeptor-Ligand-Wechselwirkungen, die zur Initiation des Transkriptionsfaktors führen.

  • kleine Ligandenmoleküle (wie Epinephrin) binden Transmembranrezeptoren, was zur Bildung von sekundären Botenstoffen oder Signalen innerhalb der Zelle führt, die letztendlich die Ser-Phosphorylierungsaktivität aktivieren. Nukleare Transkriptionsfaktoren können phosphoryliert und aktiviert werden.
  • kleine Liganden binden Transmembranrezeptoren, die dann an latente Transkriptionsfaktoren im Zytoplasma binden und diese aktivieren, die dann zum Zellkern wandern.

Abbildung: Transkriptionsfaktoren: Funktionsklassifikation


Transkriptionsfaktoren

Transkriptionsfaktoren

Transkriptionsfaktoren sind Proteine, die Domänen besitzen, die an die DNA von Promotor- oder Enhancer-Regionen spezifischer Gene binden. Sie besitzen auch eine Domäne, die mit der RNA-Polymerase II oder anderen Transkriptionsfaktoren interagiert und folglich die Menge der vom Gen produzierten Boten-RNA (mRNA) reguliert.

Viele Molekülfamilien wirken als Transkriptionsfaktoren. Einige Transkriptionsfaktoren sind allgemeine Faktoren, die in praktisch allen Zellen eines Organismus vorkommen. Andere Transkriptionsfaktoren sind spezifisch für bestimmte Zelltypen und Entwicklungsstadien. Spezifische Transkriptionsfaktoren sind oft sehr wichtig bei der Initiierung von Genexpressionsmustern, die zu großen Entwicklungsveränderungen führen. Sie tun dies typischerweise, indem sie auf Promotoren oder Enhancer einwirken, um die Transkription spezifischer Gene zu aktivieren oder zu unterdrücken. Aufgrund ihrer Struktur und ihrer Wechselwirkung mit der DNA lassen sich Transkriptionsfaktoren in mehrere Hauptgruppen unterteilen, von denen die wichtigsten hier vorgestellt werden.


Transkriptionsfaktoren

Transkriptionsfaktoren: Was sie tun

Transkriptionsfaktoren spielen viele verschiedene Rollen, die je nach Organismus unterschiedlich sind. Bei Wirbeltieren sind beispielsweise Transkriptionsfaktoren direkt für die Entwicklung verantwortlich, wobei Gruppen verschiedener Faktoren in bestimmten Geweben ins Spiel kommen. Transkriptionsfaktoren sind während der Embryonalentwicklung besonders wichtig und daher sind spezifische Faktoren für die Differenzierung pluripotenter embryonaler Stammzellen essentiell. In ähnlicher Weise muss die Aktivität anderer Faktoren aufrechterhalten werden, damit Stammzellen ihre Fähigkeit behalten, sich in jeden Zelltyp zu verwandeln und sich selbst zu erneuern. Es überrascht nicht, dass viele menschliche Krankheiten oder Anomalien durch die Fehlfunktion von Transkriptionsfaktoren verursacht werden. In ähnlicher Weise spielen somatische Mutationen oder Chromosomenumlagerungen, die bestimmte Transkriptionsfaktoren beeinflussen, eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung einiger menschlicher Krebsarten. Zu verstehen, wie der sequentielle Einsatz von Transkriptionsfaktoren die Differenzierung und Entwicklung steuert, ist ein dynamisches aktuelles Forschungsgebiet, und es ist wichtig, den Wert von Studien mit Mäusen, Zebrafischen, Fruchtfliegen und Nematoden zu beachten, um zu verstehen, wie Transkriptionsfaktoren die Entwicklung vorantreiben. Anders ist die Situation bei einzelligen Organismen, bei denen die primäre Rolle von Transkriptionsfaktoren darin besteht, die Anpassung an Umweltveränderungen zu steuern, beispielsweise Nährstoffe zu erkennen oder das Leben in stressigen Nischen zu bewältigen. Ausführliche Informationen zu Anzahl und Art von Transkriptionsfaktoren in verschiedenen Organismen finden sich auf vielen Websites.


Entmischung von Transkriptionskondensaten bei der humanen Repeat Expansion Disease

Erweiterungen von Aminosäure-Wiederholungen treten bei >20-vererbten menschlichen Erkrankungen auf, und viele treten in intrinsisch ungeordneten Regionen (IDRs) von Transkriptionsfaktoren (TFs) auf. Solche Krankheiten sind mit Proteinaggregation verbunden, aber der Beitrag von Aggregaten zur Pathologie war umstritten. Hier berichten wir, dass Alanin-Repeat-Erweiterungen im HOXD13-TF, die beim Menschen erbliche Synpolydaktylie verursachen, seine Phasentrennungskapazität und seine Fähigkeit zur Cokondensation mit transkriptionalen Co-Aktivatoren verändern. HOXD13-Repeat-Expansionen stören die Zusammensetzung von HOXD13-haltigen Kondensaten in vitro und in vivo und verändern das Transkriptionsprogramm zellspezifisch im Mausmodell der Synpolydaktylie. Es wurde in ähnlicher Weise festgestellt, dass krankheitsassoziierte Wiederholungsexpansionen in anderen TFs (HOXA13, RUNX2 und TBP) ihre Phasentrennung verändern. Diese Ergebnisse legen nahe, dass das Entmischen von Transkriptionskondensaten menschlichen Pathologien zugrunde liegen kann. Wir präsentieren eine molekulare Klassifikation von TF-IDRs, die einen Rahmen zur Analyse der TF-Funktion bei Erkrankungen bietet, die mit einer transkriptionellen Dysregulation verbunden sind.

Schlüsselwörter: Aktivierungsdomänenkondensat intrinsisch ungeordnete Region Phasentrennung Wiederholungsexpansion Synpolydaktylie Transkriptionsfaktor Transkriptionskondensat.

Copyright © 2020 Elsevier Inc. Alle Rechte vorbehalten.

Interessenkonflikt-Erklärung

Interessenerklärung Die Max-Planck-Gesellschaft hat auf Grundlage dieses Papiers eine Patentanmeldung eingereicht.


Diskussion

Ein grundlegendes Merkmal der Transkriptionsregulation ist die Fähigkeit von TFs, spezifische DNA-Bindungsstellen zu erkennen. In dieser Studie präsentieren wir eine alternative Sichtweise zum etablierten Modell der Konsensussequenz-Motivbindung, wobei endogene G4-Strukturen in Promotoren häufig als Andockstellen für TFs im menschlichen Chromatin dienen. Unsere Arbeit unterstützt, dass die Erkennung von DNA-Sekundärstrukturen ein wichtiger Modus ist, mit dem TFs das Genom lesen können. Durch die Kartierung der G4-Landschaft in zwei menschlichen Krebszelllinien und den Vergleich dieser mit Hunderten von TF-Bindungskarten zeigen wir, dass viele TFs an endogenen G4-Stellen stark angereichert sind. Diese Anreicherung ist vergleichbar mit der der dsDNA-Konsensusbindung, was es sehr wahrscheinlich macht, dass G4s eine ähnliche Fähigkeit haben, TFs in einem zellulären Kontext zu rekrutieren.

Bei der Validierung dieses Modells beobachten wir, dass mehrere TFs G4s mit Affinitäten binden, die mit ihrer Konsensus-dsDNA vergleichbar sind, sowohl in vitro als auch im Chromatin-Kontext und dass niedermolekulare Liganden TFs von endogenen G4s verdrängen können, jedoch nicht Konsensus-dsDNA-Stellen. Da ENCODE nur gemappt hat

2800 potenzielle TFs in K562- und HepG2-Zellen [1], besteht die Aussicht, dass noch viel mehr TFs für endogenes G4 rekrutiert werden.

Kürzlich wurde über die endogene Expression eines kleinen, gentechnisch veränderten G4-bindenden Proteins zum Nachweis von DNA-G4s über ChIP-seq in menschlichen Zellen berichtet [50]. Dieser alternative Kartierungsansatz beobachtete eine Anreicherung von G4s an Promotoren, assoziiert mit stark exprimierten Genen und eine Anreicherung bestimmter Proteine ​​(FUS, TAF15, RBM14, TARDBP, HNRNPK, PCBP1) an G4-Loci. Im Gegensatz zu G4 ChIP-seq auf fixiertem Chromatin kartierte die Studie über 100.000 G4s und beobachtete eine beträchtliche G4-Bildung stromabwärts des TSS zusätzlich zu den Promotor-G4s. Die endogene Expression einer Sonde kann möglicherweise schwächere, vorübergehendere G4s nachweisen. Es kann jedoch auch die endogene G4-Landschaft stören und das Gleichgewicht verschieben, um G4-s zu stabilisieren, die sich unter physiologischen Bedingungen normalerweise nicht bilden.

Eine verbleibende Herausforderung beim Verständnis der Mechanismen, die die Transkription regulieren, besteht darin, wie viele verschiedene TFs an dieselbe genomische Stelle binden und nicht durch das Vorhandensein ihrer jeweiligen Konsensusmotive erklärt werden können [1]. Für einige TFs liefert unsere Arbeit eine unmittelbare Erklärung dafür, wie dies durch TF-Rekrutierung an G4-Sekundärstrukturen anstelle von dsDNA-Konsensusmotiven gelöst werden könnte. Darüber hinaus kann die TF-Rekrutierung durch G4s den Erkennungsmodus für TFs mit nicht-kanonischen Bindungseigenschaften erklären. Beispielsweise wird angenommen, dass die Rekrutierung von SP2, einem TF mit starker G4-Assoziation, unabhängig von seiner Zinkfinger-dsDNA-Bindungsdomäne ist und nur eine glutaminreiche, positiv geladene N-terminale Region zur Bindung benötigt [51]. Weitere strukturelle Untersuchungen von TF-G4-Komplexen [21] werden erforderlich sein, um die molekularen Details der Bindung von TFs an G4-Strukturen aufzuklären.

Basierend auf rechnerisch vorhergesagten G4-bildenden Sequenzen haben frühere Arbeiten vorgeschlagen, dass G4s die TF-Bindung stören können, was eine Transkriptionsrepression verursacht, und dass G4s möglicherweise durch G4-bindende Proteine ​​aufgelöst werden müssen, um die Transkription zu erleichtern [52,53,54]. Im Gegensatz dazu finden sich endogene Promotor-G4s überwiegend an hochaktiven Genen [16, 17]. Hier zeigen wir nun, dass tatsächlich mehrere TFs selektiv an G4s binden können, mit geringer Interaktion mit entsprechenden dsDNA-Sequenzen, und dass G4s promiskuitive Hubs für die Bindung vieler verschiedener TFs sind. Wir schlagen einen fundamentalen Mechanismus der Transkriptionsregulation vor, der auf viele Gene zutreffen kann, wobei G4-Strukturen eine Vielzahl von TFs rekrutieren, was zu einem häufigeren Engagement von TFs in Promotoren führt und dadurch die Transkriptionsleistung stimuliert (Abb. 4d). Weitere funktionelle Studien sind erforderlich, um festzustellen, ob der Promotor G4s eine allgemein positive Rolle bei der Transkription spielt, und um die Details der Mechanismen zu erforschen, die die endogene G4-Landschaft im Chromatin aufrechterhalten [55]. Alternative DNA-Strukturen sollten daher ernsthaft als Mittel zur Rekrutierung von TFs in Betracht gezogen werden.


Inhalt

Transkriptionsfaktoren sind essentiell für die Regulation der Genexpression und kommen daher in allen lebenden Organismen vor. Die Anzahl der innerhalb eines Organismus gefundenen Transkriptionsfaktoren nimmt mit der Genomgröße zu, und größere Genome neigen dazu, mehr Transkriptionsfaktoren pro Gen zu haben. [12]

Es gibt ungefähr 2800 Proteine ​​im menschlichen Genom, die DNA-bindende Domänen enthalten, und 1600 davon sollen als Transkriptionsfaktoren fungieren [3], obwohl andere Studien darauf hindeuten, dass es sich um eine kleinere Zahl handelt. [13] Daher kodieren etwa 10 % der Gene im Genom für Transkriptionsfaktoren, was diese Familie zur größten Familie menschlicher Proteine ​​macht. Darüber hinaus werden Gene oft von mehreren Bindungsstellen für unterschiedliche Transkriptionsfaktoren flankiert, und eine effiziente Expression jedes dieser Gene erfordert die kooperative Wirkung mehrerer unterschiedlicher Transkriptionsfaktoren (siehe zum Beispiel Hepatozytennuklearfaktoren). Daher erklärt die kombinatorische Verwendung einer Teilmenge der ungefähr 2000 menschlichen Transkriptionsfaktoren leicht die einzigartige Regulation jedes Gens im menschlichen Genom während der Entwicklung. [11]

Transkriptionsfaktoren binden entweder an Enhancer- oder Promotor-Regionen der DNA neben den Genen, die sie regulieren. Je nach Transkriptionsfaktor wird die Transkription des benachbarten Gens entweder hoch- oder herunterreguliert. Transkriptionsfaktoren nutzen eine Vielzahl von Mechanismen zur Regulation der Genexpression. [14] Diese Mechanismen umfassen:

  • stabilisieren oder blockieren die Bindung von RNA-Polymerase an DNA
  • katalysieren die Acetylierung oder Deacetylierung von Histonproteinen. Der Transkriptionsfaktor kann dies entweder direkt tun oder andere Proteine ​​mit dieser katalytischen Aktivität rekrutieren. Viele Transkriptionsfaktoren verwenden den einen oder anderen von zwei gegensätzlichen Mechanismen, um die Transkription zu regulieren: [15]
      (HAT)-Aktivität – acetyliert Histonproteine, was die Assoziation von DNA mit Histonen schwächt, wodurch die DNA für die Transkription zugänglicher wird, wodurch die Transkriptionsaktivität (HDAC) hochreguliert wird – Deacetyliert Histonproteine, wodurch die DNA-Assoziation mit Histonen verstärkt wird, die die DNA für die Transkription weniger zugänglich machen, wodurch die Transkription herunterreguliert wird
  • Transkriptionsfaktoren sind eine der Proteingruppen, die den genetischen „Bauplan“ in der DNA lesen und interpretieren. Sie binden an die DNA und helfen, ein Programm zur erhöhten oder verringerten Gentranskription zu initiieren. Als solche sind sie für viele wichtige zelluläre Prozesse von entscheidender Bedeutung. Im Folgenden sind einige der wichtigen Funktionen und biologischen Rollen aufgeführt, an denen Transkriptionsfaktoren beteiligt sind:

    Basale Transkriptionsregulation Bearbeiten

    Bei Eukaryoten ist eine wichtige Klasse von Transkriptionsfaktoren, die als allgemeine Transkriptionsfaktoren (GTFs) bezeichnet werden, für die Transkription erforderlich. [17] [18] [19] Viele dieser GTFs binden nicht wirklich DNA, sondern sind Teil des großen Transkriptions-Präinitiationskomplexes, der direkt mit der RNA-Polymerase interagiert. Die häufigsten GTFs sind TFIIA, TFIIB, TFIID (siehe auch TATA-Bindungsprotein), TFIIE, TFIIF und TFIIH. [20] Der Präinitiationskomplex bindet an Promotorregionen der DNA stromaufwärts des Gens, das sie regulieren.

    Differenzielle Verbesserung der Transkription Bearbeiten

    Andere Transkriptionsfaktoren regulieren die Expression verschiedener Gene unterschiedlich, indem sie an Enhancer-Regionen der DNA binden, die an regulierte Gene angrenzen. Diese Transkriptionsfaktoren sind entscheidend dafür, dass Gene zur richtigen Zeit und in der richtigen Menge in der richtigen Zelle exprimiert werden, abhängig von den sich ändernden Anforderungen des Organismus.

    Entwicklung Bearbeiten

    Viele Transkriptionsfaktoren in vielzelligen Organismen sind an der Entwicklung beteiligt. [21] Als Reaktion auf Stimuli schalten diese Transkriptionsfaktoren die Transkription der entsprechenden Gene ein/aus, was wiederum Veränderungen in der Zellmorphologie oder Aktivitäten ermöglicht, die für die Bestimmung des Zellschicksals und die Zelldifferenzierung erforderlich sind. Die Familie der Hox-Transkriptionsfaktoren ist zum Beispiel wichtig für die richtige Bildung von Körpermustern in Organismen, die so unterschiedlich sind wie Fruchtfliegen bis zum Menschen. [22] [23] Ein weiteres Beispiel ist der Transkriptionsfaktor, der vom Gen für die geschlechtsbestimmende Region Y (SRY) kodiert wird, das eine wichtige Rolle bei der Bestimmung des Geschlechts beim Menschen spielt. [24]

    Reaktion auf interzelluläre Signale Bearbeiten

    Zellen können miteinander kommunizieren, indem sie Moleküle freisetzen, die innerhalb einer anderen rezeptiven Zelle Signalkaskaden erzeugen. Wenn das Signal eine Hoch- oder Herunterregulierung von Genen in der Empfängerzelle erfordert, befinden sich häufig Transkriptionsfaktoren in der Signalkaskade stromabwärts. [25] Die Östrogen-Signalgebung ist ein Beispiel für eine ziemlich kurze Signalkaskade, an der der Östrogenrezeptor-Transkriptionsfaktor beteiligt ist: Östrogen wird von Geweben wie den Eierstöcken und der Plazenta sezerniert, passiert die Zellmembran der Empfängerzelle und wird vom Östrogenrezeptor gebunden im Zytoplasma der Zelle. Der Östrogenrezeptor geht dann in den Zellkern und bindet an seine DNA-Bindungsstellen, wodurch die Transkriptionsregulation der assoziierten Gene verändert wird. [26]

    Reaktion auf die Umgebung Bearbeiten

    Transkriptionsfaktoren wirken nicht nur stromabwärts von Signalkaskaden, die mit biologischen Stimuli in Verbindung stehen, sondern sie können auch Signalkaskaden stromabwärts liegen, die an Umweltreizen beteiligt sind. Beispiele hierfür sind der Hitzeschockfaktor (HSF), der für das Überleben bei höheren Temperaturen notwendige Gene hochreguliert, [27] Hypoxie-induzierbarer Faktor (HIF), der Gene hochreguliert, die für das Zellüberleben in sauerstoffarmen Umgebungen notwendig sind, [28] und die Bindung von Sterol-Regulatorelementen Protein (SREBP), das dazu beiträgt, den richtigen Lipidspiegel in der Zelle aufrechtzuerhalten. [29]

    Steuerung des Zellzyklus Bearbeiten

    Viele Transkriptionsfaktoren, insbesondere solche, die Proto-Onkogene oder Tumorsuppressoren sind, helfen, den Zellzyklus zu regulieren und bestimmen als solche, wie groß eine Zelle wird und wann sie sich in zwei Tochterzellen teilen kann. [30] [31] Ein Beispiel ist das Myc-Onkogen, das eine wichtige Rolle beim Zellwachstum und der Apoptose spielt. [32]

    Pathogenese Bearbeiten

    Transkriptionsfaktoren können auch verwendet werden, um die Genexpression in einer Wirtszelle zu verändern, um die Pathogenese zu fördern. Ein gut untersuchtes Beispiel hierfür sind die von Xanthomonas-Bakterien sezernierten Transkriptionsaktivator-ähnlichen Effektoren (TAL-Effektoren). Wenn sie in Pflanzen injiziert werden, können diese Proteine ​​in den Zellkern der Pflanzenzelle eindringen, Pflanzen-Promotorsequenzen binden und die Transkription von Pflanzengenen aktivieren, die bei einer bakteriellen Infektion helfen. [33] TAL-Effektoren enthalten eine zentrale Repeat-Region, in der es eine einfache Beziehung zwischen der Identität zweier kritischer Reste in sequentiellen Repeats und sequentiellen DNA-Basen an der Zielstelle des TAL-Effektors gibt. [34] [35] Diese Eigenschaft macht es diesen Proteinen wahrscheinlich leichter, sich zu entwickeln, um besser mit den Abwehrmechanismen der Wirtszelle zu konkurrieren. [36]

    In der Biologie ist es üblich, dass wichtige Prozesse über mehrere Ebenen der Regulierung und Kontrolle verfügen. Dies gilt auch für Transkriptionsfaktoren: Transkriptionsfaktoren steuern nicht nur die Transkriptionsraten, um die Menge an Genprodukten (RNA und Protein) zu regulieren, die der Zelle zur Verfügung stehen, sondern Transkriptionsfaktoren selbst werden (oft durch andere Transkriptionsfaktoren) reguliert. Nachfolgend finden Sie eine kurze Zusammenfassung einiger Möglichkeiten, wie die Aktivität von Transkriptionsfaktoren reguliert werden kann:

    Synthese Bearbeiten

    Transkriptionsfaktoren (wie alle Proteine) werden von einem Gen auf einem Chromosom in RNA transkribiert, und dann wird die RNA in Protein übersetzt. Jeder dieser Schritte kann reguliert werden, um die Produktion (und damit die Aktivität) eines Transkriptionsfaktors zu beeinflussen. Daraus folgt, dass Transkriptionsfaktoren sich selbst regulieren können. In einer negativen Rückkopplungsschleife fungiert der Transkriptionsfaktor beispielsweise als eigener Repressor: Bindet das Transkriptionsfaktor-Protein die DNA seines eigenen Gens, reguliert es die Produktion von mehr von sich selbst herunter. Dies ist ein Mechanismus, um niedrige Spiegel eines Transkriptionsfaktors in einer Zelle aufrechtzuerhalten. [37]

    Nukleare Lokalisierung Bearbeiten

    Bei Eukaryoten werden Transkriptionsfaktoren (wie die meisten Proteine) im Zellkern transkribiert, dann aber im Zytoplasma der Zelle translatiert. Viele Proteine, die im Zellkern aktiv sind, enthalten Kernlokalisierungssignale, die sie zum Zellkern leiten. Für viele Transkriptionsfaktoren ist dies jedoch ein Schlüsselpunkt in ihrer Regulation. [38] Wichtige Klassen von Transkriptionsfaktoren wie einige nukleäre Rezeptoren müssen im Zytoplasma zunächst an einen Liganden binden, bevor sie in den Zellkern wandern können. [38]

    Aktivierung Bearbeiten

    Transkriptionsfaktoren können über ihre . aktiviert (oder deaktiviert) werden Signalerfassungsdomäne durch eine Reihe von Mechanismen, darunter:

      Bindung – Die Ligandenbindung kann nicht nur beeinflussen, wo sich ein Transkriptionsfaktor innerhalb einer Zelle befindet, sondern die Ligandenbindung kann auch beeinflussen, ob sich der Transkriptionsfaktor in einem aktiven Zustand befindet und DNA oder andere Cofaktoren binden kann (siehe zum Beispiel nukleäre Rezeptoren ). [39][40] – Viele Transkriptionsfaktoren wie STAT-Proteine ​​müssen phosphoryliert werden, bevor sie DNA binden können.
    • Wechselwirkung mit anderen Transkriptionsfaktoren (z.B., Homo- oder Heterodimerisierung) oder koregulatorische Proteine

    Zugänglichkeit der DNA-Bindungsstelle Bearbeiten

    In Eukaryoten wird die DNA mit Hilfe von Histonen in kompakte Partikel, die Nukleosomen genannt, organisiert, wobei Sequenzen von etwa 147 DNA-Basenpaaren bilden

    1,65 dreht sich um Histonproteinoctamere. DNA innerhalb von Nukleosomen ist für viele Transkriptionsfaktoren unzugänglich. Einige Transkriptionsfaktoren, sogenannte Pionierfaktoren, sind noch in der Lage, ihre DNA-Bindungsstellen an die nukleosomale DNA zu binden. Bei den meisten anderen Transkriptionsfaktoren sollte das Nukleosom durch molekulare Motoren wie Chromatin-Remodeler aktiv abgewickelt werden. [41] Alternativ kann das Nukleosom durch thermische Fluktuationen teilweise ausgepackt werden, was einen temporären Zugang zur Bindungsstelle des Transkriptionsfaktors ermöglicht. In vielen Fällen muss ein Transkriptionsfaktor mit anderen Transkriptionsfaktoren und Histonen oder Nicht-Histon-Chromatinproteinen um die Bindung an seine DNA-Bindungsstelle konkurrieren. [42] Paare von Transkriptionsfaktoren und anderen Proteinen können bei der Regulation desselben Gens antagonistische Rollen (Aktivator versus Repressor) spielen.

    Verfügbarkeit anderer Cofaktoren/Transkriptionsfaktoren Bearbeiten

    Die meisten Transkriptionsfaktoren wirken nicht allein. Viele große TF-Familien bilden durch Dimerisierung komplexe homotypische oder heterotypische Wechselwirkungen. [43] Damit eine Gentranskription stattfinden kann, müssen eine Reihe von Transkriptionsfaktoren an regulatorische DNA-Sequenzen binden. Diese Sammlung von Transkriptionsfaktoren rekrutiert wiederum intermediäre Proteine ​​wie Cofaktoren, die eine effiziente Rekrutierung des Präinitiationskomplexes und der RNA-Polymerase ermöglichen. Damit ein einzelner Transkriptionsfaktor die Transkription initiieren kann, müssen daher alle diese anderen Proteine ​​ebenfalls vorhanden sein, und der Transkriptionsfaktor muss sich in einem Zustand befinden, in dem er bei Bedarf an sie binden kann. Cofaktoren sind Proteine, die die Wirkung von Transkriptionsfaktoren modulieren. Cofaktoren sind zwischen spezifischen Genpromotoren austauschbar. Der Proteinkomplex, der die Promotor-DNA besetzt, und die Aminosäuresequenz des Cofaktors bestimmen seine räumliche Konformation. Zum Beispiel können bestimmte Steroidrezeptoren Cofaktoren mit NF-&kgr;B austauschen, was ein Wechsel zwischen Entzündung und Zelldifferenzierung ist, wodurch Steroide die Entzündungsreaktion und die Funktion bestimmter Gewebe beeinflussen können. [44]

    Wechselwirkung mit methyliertem Cytosin Bearbeiten

    Transkriptionsfaktoren und methylierte Cytosine in der DNA spielen beide eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Genexpression. (Die Methylierung von Cytosin in der DNA tritt hauptsächlich dort auf, wo Cytosin in der 5'-3'-DNA-Sequenz von Guanin gefolgt wird, einer CpG-Stelle.) Die Methylierung von CpG-Stellen in einer Promotorregion eines Gens unterdrückt normalerweise die Gentranskription, [45] während die Methylierung von CpGs im Körper eines Gens erhöht die Expression. [46] TET-Enzyme spielen eine zentrale Rolle bei der Demethylierung von methylierten Cytosinen. Die Demethylierung von CpGs in einem Genpromotor durch TET-Enzymaktivität erhöht die Transkription des Gens. [47]

    Die DNA-Bindungsstellen von 519 Transkriptionsfaktoren wurden bewertet. [48] ​​Von diesen hatten 169 Transkriptionsfaktoren (33 %) keine CpG-Dinukleotide in ihren Bindungsstellen, und 33 Transkriptionsfaktoren (6%) konnten an ein CpG-haltiges Motiv binden, zeigten jedoch keine Präferenz für eine Bindungsstelle mit entweder ein methyliertes oder unmethyliertes CpG. Es gab 117 Transkriptionsfaktoren (23%), deren Bindung an ihre Bindungssequenz gehemmt wurde, wenn diese eine methylierte CpG-Stelle enthielt, 175 Transkriptionsfaktoren (34%), die eine verstärkte Bindung aufwiesen, wenn ihre Bindungssequenz eine methylierte CpG-Stelle aufwies, und 25 Transkriptionen Faktoren (5%) wurden entweder gehemmt oder hatten eine verstärkte Bindung, je nachdem, wo in der Bindungssequenz das methylierte CpG lokalisiert war.

    TET-Enzyme binden nicht spezifisch an Methylcytosin, außer wenn sie rekrutiert werden (siehe DNA-Demethylierung). Es wurde gezeigt, dass mehrere Transkriptionsfaktoren, die für die Zelldifferenzierung und die Abstammungsspezifikation wichtig sind, einschließlich NANOG, SALL4A, WT1, EBF1, PU.1 und E2A, TET-Enzyme an spezifische genomische Loci (hauptsächlich Enhancer) rekrutieren, um auf Methylcytosin (mC) und . zu wirken in Hydroxymethylcytosin hmC umwandeln (und in den meisten Fällen für die anschließende vollständige Demethylierung zu Cytosin markieren). [49] Die TET-vermittelte Umwandlung von mC in hmC scheint die Bindung von 5mC-bindenden Proteinen, einschließlich MECP2- und MBD-Proteinen (Methyl-CpG-bindende Domäne) zu unterbrechen, was den Nukleosomen-Remodeling und die Bindung von Transkriptionsfaktoren erleichtert, wodurch die Transkription dieser . aktiviert wird Gene. EGR1 ist ein wichtiger Transkriptionsfaktor bei der Gedächtnisbildung. Es spielt eine wesentliche Rolle bei der epigenetischen Reprogrammierung von Gehirnneuronen. Der Transkriptionsfaktor EGR1 rekrutiert das TET1-Protein, das einen Weg der DNA-Demethylierung einleitet. [50] EGR1 wird zusammen mit TET1 bei der Programmierung der Verteilung von Methylierungsstellen auf der Gehirn-DNA während der Gehirnentwicklung und beim Lernen eingesetzt (siehe Epigenetik in Lernen und Gedächtnis).

    Transkriptionsfaktoren sind modular aufgebaut und enthalten folgende Domänen: [1]

    • DNA-bindende Domäne (DBD), das an spezifische DNA-Sequenzen (Enhancer oder Promotor. Notwendige Komponente für alle Vektoren. Wird verwendet, um die Transkription der Transgen-Promotorsequenzen des Vektors zu steuern) angrenzend an regulierte Gene anlagert. DNA-Sequenzen, die Transkriptionsfaktoren binden, werden oft als Antwortelemente.
    • Aktivierungsdomäne (ANZEIGE), das Bindungsstellen für andere Proteine ​​wie Transkriptionskoregulatoren enthält. Diese Bindungsstellen werden häufig als Aktivierungsfunktionen (AFs), Transaktivierungsdomäne (BISSCHEN) oder Transaktivierende DomainTAD, aber nicht mit der topologisch assoziierenden Domäne TAD mischen. [51]
    • Eine optionale Signalerfassungsdomäne (SSD) (z.B., eine Ligandenbindungsdomäne), die externe Signale wahrnimmt und als Reaktion diese Signale an den Rest des Transkriptionskomplexes überträgt, was zu einer Hoch- oder Herunterregulierung der Genexpression führt. Außerdem können sich die DBD- und Signalsensordomänen auf separaten Proteinen befinden, die sich innerhalb des Transkriptionskomplexes assoziieren, um die Genexpression zu regulieren.

    DNA-bindende Domäne Bearbeiten

    Der Teil (Domäne) des Transkriptionsfaktors, der DNA bindet, wird seine DNA-bindende Domäne genannt. Nachfolgend finden Sie eine unvollständige Liste einiger der wichtigsten Familien von DNA-bindenden Domänen/Transkriptionsfaktoren:

    Familie InterPro Pfam SCOP
    grundlegende Helix-Schleife-Helix [52] InterPro: IPR001092 Pfam PF00010 SCOP 47460
    basischer Leucin-Reißverschluss (bZIP) [53] InterPro: IPR004827 Pfam PF00170 SCOP 57959
    C-terminale Effektordomäne der bipartiten Reaktionsregulatoren InterPro: IPR001789 Pfam PF00072 SCOP 46894
    AP2/ERF/GCC-Box InterPro: IPR001471 Pfam PF00847 SCOP 54176
    Helix-Windung-Helix [54]
    Homöodomänenproteine, die von Homöobox-Genen kodiert werden, sind Transkriptionsfaktoren. Homöodomäne-Proteine ​​spielen eine entscheidende Rolle bei der Regulation der Entwicklung. [55] [56] InterPro: IPR009057 Pfam PF00046 SCOP 46689
    Lambda-Repressor-ähnlich InterPro: IPR010982 SCOP 47413
    srf-like (Serum-Response-Faktor) InterPro: IPR002100 Pfam PF00319 SCOP 55455
    gepaarte Box [57]
    geflügelte Helix InterPro: IPR013196 Pfam PF08279 SCOP 46785
    Zinkfinger [58]
    * Multidomänen-Cys2Seine2 Zinkfinger [59] InterPro: IPR007087 Pfam PF00096 SCOP 57667
    * Zn2/Cys6 SCOP 57701
    * Zn2/Cys8 nuklearer Rezeptor Zinkfinger InterPro: IPR001628 Pfam PF00105 SCOP 57716

    Antwortelemente Bearbeiten

    Die DNA-Sequenz, an die ein Transkriptionsfaktor bindet, wird als Transkriptionsfaktor-Bindungsstelle oder Response-Element bezeichnet. [60]

    Transkriptionsfaktoren interagieren mit ihren Bindungsstellen unter Verwendung einer Kombination von elektrostatischen (von denen Wasserstoffbrücken ein Sonderfall sind) und Van-der-Waals-Kräften. Aufgrund der Natur dieser chemischen Wechselwirkungen binden die meisten Transkriptionsfaktoren DNA sequenzspezifisch. Jedoch können nicht alle Basen in der Transkriptionsfaktor-Bindungsstelle tatsächlich mit dem Transkriptionsfaktor interagieren. Darüber hinaus können einige dieser Wechselwirkungen schwächer sein als andere. Somit binden Transkriptionsfaktoren nicht nur eine Sequenz, sondern sind in der Lage, eine Untergruppe eng verwandter Sequenzen mit jeweils unterschiedlicher Wechselwirkungsstärke zu binden.

    Obwohl die Konsensus-Bindungsstelle für das TATA-bindende Protein (TBP) beispielsweise TATAAAA ist, kann der TBP-Transkriptionsfaktor auch ähnliche Sequenzen wie TATATAT oder TATATAA binden.

    Da Transkriptionsfaktoren einen Satz verwandter Sequenzen binden können und diese Sequenzen dazu neigen, kurz zu sein, können potenzielle Bindungsstellen für Transkriptionsfaktoren zufällig auftreten, wenn die DNA-Sequenz lang genug ist. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass ein Transkriptionsfaktor alle kompatiblen Sequenzen im Genom der Zelle bindet. Andere Einschränkungen, wie die Zugänglichkeit der DNA in der Zelle oder die Verfügbarkeit von Cofaktoren, können ebenfalls dazu beitragen, zu bestimmen, wo ein Transkriptionsfaktor tatsächlich bindet. Daher ist es angesichts der Genomsequenz immer noch schwierig vorherzusagen, wo ein Transkriptionsfaktor in einer lebenden Zelle tatsächlich bindet.

    Zusätzliche Erkennungsspezifität kann jedoch durch die Verwendung von mehr als einer DNA-bindenden Domäne (beispielsweise Tandem-DBDs in demselben Transkriptionsfaktor oder durch Dimerisierung von zwei Transkriptionsfaktoren) erhalten werden, die an zwei oder mehr benachbarte DNA-Sequenzen binden.

    Transkriptionsfaktoren sind aus mindestens zwei Gründen von klinischer Bedeutung: (1) Mutationen können mit bestimmten Krankheiten in Verbindung gebracht werden und (2) sie können Angriffspunkte von Medikamenten sein.

    Störungen Bearbeiten

    Aufgrund ihrer wichtigen Rolle bei der Entwicklung, der interzellulären Signalübertragung und dem Zellzyklus wurden einige menschliche Krankheiten mit Mutationen in Transkriptionsfaktoren in Verbindung gebracht. [61]

    Viele Transkriptionsfaktoren sind entweder Tumorsuppressoren oder Onkogene, und daher sind Mutationen oder abweichende Regulation derselben mit Krebs verbunden. Es ist bekannt, dass drei Gruppen von Transkriptionsfaktoren bei menschlichem Krebs wichtig sind: (1) die NF-kappaB- und AP-1-Familien, (2) die STAT-Familie und (3) die Steroidrezeptoren. [62]

    Nachfolgend sind einige der besser untersuchten Beispiele aufgeführt:

    Zustand Beschreibung Ort
    Rett-Syndrom Mutationen des MECP2-Transkriptionsfaktors werden mit dem Rett-Syndrom, einer neurologischen Entwicklungsstörung, in Verbindung gebracht. [63] [64] Xq28
    Diabetes Eine seltene Form von Diabetes namens MODY (Maturity Onset Diabetes of the Young) kann durch Mutationen in Hepatocyte Nuclear Factors (HNFs) [65] oder Insulin-Promotor-Faktor-1 (IPF1/Pdx1) verursacht werden. [66] mehrere
    Entwicklungsbedingte verbale Dyspraxie Mutationen des FOXP2-Transkriptionsfaktors werden mit einer entwicklungsbedingten verbalen Dyspraxie in Verbindung gebracht, einer Krankheit, bei der Individuen nicht in der Lage sind, die für die Sprache erforderlichen fein koordinierten Bewegungen auszuführen. [67] 7q31
    Autoimmunerkrankungen Mutationen im Transkriptionsfaktor FOXP3 verursachen eine seltene Form der Autoimmunerkrankung IPEX. [68] Xp11.23-q13.3
    Li-Fraumeni-Syndrom Verursacht durch Mutationen im Tumorsuppressor p53. [69] 17p13.1
    Brustkrebs Die STAT-Familie ist für Brustkrebs relevant. [70] mehrere
    Mehrere Krebsarten Die HOX-Familie ist an einer Vielzahl von Krebsarten beteiligt. [71] mehrere
    Arthrose Mutation oder reduzierte Aktivität von SOX9 [72]

    Potenzielle Wirkstoffziele Bearbeiten

    Ungefähr 10 % der derzeit verschriebenen Medikamente zielen direkt auf die nukleäre Rezeptorklasse der Transkriptionsfaktoren ab. [73] Beispiele sind Tamoxifen und Bicalutamid zur Behandlung von Brust- bzw. Prostatakrebs sowie verschiedene Arten von entzündungshemmenden und anabolen Steroiden. [74] Darüber hinaus werden Transkriptionsfaktoren oft indirekt durch Medikamente über Signalkaskaden moduliert. Es könnte möglich sein, andere weniger erforschte Transkriptionsfaktoren wie NF-κB direkt mit Medikamenten zu bekämpfen. [75] [76] [77] [78] Es wird angenommen, dass Transkriptionsfaktoren außerhalb der nuklearen Rezeptorfamilie mit niedermolekularen Therapeutika schwieriger zu erreichen sind, da nicht klar ist, ob sie "medikamentös" sind, aber Fortschritte bei Pax2 gemacht wurden [ 79] [80] und der Kerbweg. [81]

    Genduplikationen haben eine entscheidende Rolle in der Evolution der Arten gespielt. Dies gilt insbesondere für Transkriptionsfaktoren. Sobald sie als Duplikate auftreten, können akkumulierte Mutationen, die für eine Kopie kodieren, stattfinden, ohne die Regulation von nachgeschalteten Zielen negativ zu beeinflussen. Allerdings wurden vor kurzem Veränderungen der DNA-Bindungsspezifitäten des Single-Copy-LEAFY-Transkriptionsfaktors, der in den meisten Landpflanzen vorkommt, aufgeklärt. In that respect, a single-copy transcription factor can undergo a change of specificity through a promiscuous intermediate without losing function. Similar mechanisms have been proposed in the context of all alternative phylogenetic hypotheses, and the role of transcription factors in the evolution of all species. [82] [83]

    There are different technologies available to analyze transcription factors. On the genomic level, DNA-sequencing [84] and database research are commonly used [85] The protein version of the transcription factor is detectable by using specific antibodies. The sample is detected on a western blot. By using electrophoretic mobility shift assay (EMSA), [86] the activation profile of transcription factors can be detected. A multiplex approach for activation profiling is a TF chip system where several different transcription factors can be detected in parallel.

    The most commonly used method for identifying transcription factor binding sites is chromatin immunoprecipitation (ChIP). [87] This technique relies on chemical fixation of chromatin with formaldehyde, followed by co-precipitation of DNA and the transcription factor of interest using an antibody that specifically targets that protein. The DNA sequences can then be identified by microarray or high-throughput sequencing (ChIP-seq) to determine transcription factor binding sites. If no antibody is available for the protein of interest, DamID may be a convenient alternative. [88]

    As described in more detail below, transcription factors may be classified by their (1) mechanism of action, (2) regulatory function, or (3) sequence homology (and hence structural similarity) in their DNA-binding domains.

    Mechanistic Edit

    There are two mechanistic classes of transcription factors:

      are involved in the formation of a preinitiation complex. The most common are abbreviated as TFIIA, TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF, and TFIIH. They are ubiquitous and interact with the core promoter region surrounding the transcription start site(s) of all class II genes. [89]
    • Upstream transcription factors are proteins that bind somewhere upstream of the initiation site to stimulate or repress transcription. These are roughly synonymous with specific transcription factors, because they vary considerably depending on what recognition sequences are present in the proximity of the gene. [90]

    Funktionale Bearbeitung

    Transcription factors have been classified according to their regulatory function: [11]

    • ICH. constitutively active – present in all cells at all times – general transcription factors, Sp1, NF1, CCAAT
    • II. conditionally active – requires activation
      • II.A entwicklungsfördernd (cell specific) – expression is tightly controlled, but, once expressed, require no additional activation – GATA, HNF, PIT-1, MyoD, Myf5, Hox, Winged Helix
      • II.B signal-dependent – requires external signal for activation
        • II.B.1 extracellular ligand (endocrine or paracrine)-dependent – nuclear receptors
        • II.B.2 intracellular ligand (autocrine)-dependent - activated by small intracellular molecules – SREBP, p53, orphan nuclear receptors
        • II.B.3 cell membrane receptor-dependent – second messenger signaling cascades resulting in the phosphorylation of the transcription factor
          • II.B.3.a resident nuclear factors – reside in the nucleus regardless of activation state – CREB, AP-1, Mef2
          • II.B.3.b latent cytoplasmic factors – inactive form reside in the cytoplasm, but, when activated, are translocated into the nucleus – STAT, R-SMAD, NF-κB, Notch, TUBBY, NFAT

          Strukturelle Bearbeitung

          Transcription factors are often classified based on the sequence similarity and hence the tertiary structure of their DNA-binding domains: [91] [10] [92] [9]


          From basic immunobiology to the upcoming WHO-classification of tumors of the thymus. The Second Conference on Biological and Clinical Aspects of Thymic Epithelial Tumors and related recent developments

          The Second Conference on Biological and Clinical Aspects of Thymic Epithelial Tumors in Leiden, The Netherlands, 1998, set the stage for an interdisciplinary meeting of immunologists, pathologists and members of various clinical disciplines to exchange their recent findings in the field of thymus-related biology, pathology, and medicine. The contributions covered such diverse subjects as the role of transcription factors and cytokines in the development of the thymic microenvironment, thymic T, B and NK cell development, the pathogenesis of myasthenia gravis and other thymoma-associated autoimmunities, the pathology of thymic epithelial tumors and germ cell neoplasms, and new approaches to their diagnosis and treatment. This editorial will briefly sum up the data presented at the Conference and will comment on related novel findings that have been reported since then. Because it was also at the Leiden Conference, that the proposal of the WHO committee for the classification of thymic tumors was discussed for the first time, a description of the upcoming WHO Classification of Tumors of the Thymus is given with emphasis on the diagnostic criteria of thymic epithelial tumors, that should now be termed as type A, AB, B1-3 and type C thymomas, to make pathological and clinical studies comparable in the future.


          Relationship of Phylogeny to Function.

          There have been several attempts to categorize bHLH proteins into higher order groups of protein families (e.g., refs. 2, 9–11). Currently, the most widely followed classification of bHLH proteins is one based on how the proteins bind to the core CANNTG E-box (Fig. 1). This classification is naturally depicted by the NJ tree in the present analyses.

          Deng et al. (9) categorized most of the bHLH proteins into groups A and B, and Swanson et al. (11) suggested that Ah and Sim proteins comprise a distinct group C based on their half-site pairing behavior within the E-box. We propose a natural fourth group of proteins (group D) for proteins like Id that lack the typical basic DNA binding region and have a very low frequency of basic residues in the first 13 amino acid sites. Our analyses established patterns of amino acids at sites 5, 8, and 13 (Fig. 1) that discriminate these four groups of bHLH proteins with considerable accuracy.

          Group A proteins bind to CAGCTG and have a distinctive pattern of amino acids at sites 5, 8, and 13, i.e., a basic amino acid at site 8 and a 5–8-13 configuration of xRx (where R = arginine at site 8 and x is another amino acid at 5 and 13). Furthermore, group A has only small aliphatic residues (A, G) at site 19. The only exceptions are dHand and AP-4, where lysine (K) is substituted at site 8. Accepting the low statistical support at the deep nodes, group A appears monophyletic and includes the protein families Lyl, Twist, Hen, Atonal, Delilah, dHand, AC-S, MyoD, E12, and Da. Validity of group A is strongly reflected in the NJ tree. AP-4 is an odd protein with an unusual E-box binding configuration and is the only group A sequence to contain an LZ (10). We consider AP-4 as a special case and did not include it as a group A protein for these discussions.

          Group B binds to CACGTG and has the 5–8-13 E-box configuration BxR with a basic amino acid (either K or H) at site 5 and arginine at site 13. Group B includes Arnt, Cbf, Esc, Hairy, Mad, No, Myc, Pho4, R, Srebp, Tfe, Usf, and others (Table 1). Group B can be further partitioned into protein families with or without an LZ motif. For group B proteins with an LZ, the E-box configuration is HxR. Additionally, sequences with an LZ have a very high frequency of N residues (93%) at site 6, the residues at site 8 are almost all aliphatic (I, L, or V), and site 56 is K at 88%

          Group C represents a statistically well supported, separate lineage derived from group B but has no consistent amino acid configuration at sites 5, 8, or 13. Furthermore, group C could be further distinguished in these analyses by the absence of basic residues at site 2, A or K at site 9, and E at site 19.

          Group D proteins, which include Id, Emc, Heira, and Hhl462 (12), lack the basic DNA binding region, have a very low frequency of basic residues in the first 13 amino acid sites, and frequently have prolines at sites 4 and 9. Group D proteins do not bind DNA rather, they form protein–protein dimers that function as negative regulators of DNA binding behavior (12). The Id lineage is a statistically well supported single lineage (boot strap value = 99%), and the included proteins probably were derived from a common ancestor that possessed a DNA binding region that was subsequently lost during evolution.

          Group D proteins act as dominant negative regulators of MyoD proteins. The question arises of whether a classification of the bHLH proteins based on the helix-loop-helix component alone (basic region removed) would place the group D proteins in the same clade as MyoD. Such an analysis was carried out, and the result was that the Id proteins were still distinct and separate from MyoD. Furthermore, the major clades as seen in Fig. 2 persisted, indicating that evolutionary relationships among protein groups persist when components of the motif are removed. However, the way the major clades were linked together deep in the tree was altered in several instances compared with the results using the full motif. These alterations would be expected in view of the low boot strap values for the deep nodes described above.

          These four higher order groups (A-D) are depicted in the NJ tree in Fig. 2, but the boot strap values this deep in the tree are low. Hence, we have used a simple procedure here to further explore the validity of these groups. At each site shown in Fig. 1, the most frequently occurring group is paired with its relevant amino acid at that site. This amino acid then can be used for classifying these sequences into the groups. Informative sites (those with probability values greater than 80%) are found in all four sequence components (i.e., basic, helices, and loop). Within the basic region, the sites and their respective probability values are 4 (81%), 5 (92%), 8 (98%), and 13 (95%). Within helix I, the sites are 14 (87%), 19 (92%), 21 (81%), and 25 (86%) within the loop, 29 (82%) and 46 (83%). And for helix II are 52 (85%), 55 (85%), and 56 (86%). Thus, it is clear that the major groups as elucidated by the NJ tree are consistent, and amino acid sites that are informative with regard to group classification occur in all components of the motif.


          Inhalt

          The discovery of the helix-turn-helix motif was based on similarities between several genes encoding transcription regulatory proteins from bacteriophage lambda and Escherichia coli: Cro, CAP, and λ repressor, which were found to share a common 20–25 amino acid sequence that facilitates DNA recognition. [2] [3] [4] [5]

          The helix-turn-helix motif is a DNA-binding motif. The recognition and binding to DNA by helix-turn-helix proteins is done by the two α helices, one occupying the N-terminal end of the motif, the other at the C-terminus. In most cases, such as in the Cro repressor, the second helix contributes most to DNA recognition, and hence it is often called the "recognition helix". It binds to the major groove of DNA through a series of hydrogen bonds and various Van der Waals interactions with exposed bases. The other α helix stabilizes the interaction between protein and DNA, but does not play a particularly strong role in its recognition. [2] The recognition helix and its preceding helix always have the same relative orientation. [6]

          Several attempts have been made to classify the helix-turn-helix motifs based on their structure and the spatial arrangement of their helices. [6] [7] [8] Some of the main types are described below.

          Di-helical Edit

          The di-helical helix-turn-helix motif is the simplest helix-turn-helix motif. A fragment of Engrailed homeodomain encompassing only the two helices and the turn was found to be an ultrafast independently folding protein domain. [9]

          Tri-helical Edit

          An example of this motif is found in the transcriptional activator Myb. [10]

          Tetra-helical Edit

          The tetra-helical helix-turn-helix motif has an additional C-terminal helix compared to the tri-helical motifs. These include the LuxR-type DNA-binding HTH domain found in bacterial transcription factors and the helix-turn-helix motif found in the TetR repressors. [11] Multihelical versions with additional helices also occur. [12]

          Winged helix-turn-helix Edit

          The winged helix-turn-helix (wHTH) motif is formed by a 3-helical bundle and a 3- or 4-strand beta-sheet (wing). The topology of helices and strands in the wHTH motifs may vary. In the transcription factor ETS wHTH folds into a helix-turn-helix motif on a four-stranded anti-parallel beta-sheet scaffold arranged in the order α1-β1-β2-α2-α3-β3-β4 where the third helix is the DNA recognition helix. [13] [14]

          Other modified helix-turn-helix motifs Edit

          Other derivatives of the helix-turn-helix motif include the DNA-binding domain found in MarR, a regulator of multiple antibiotic resistance, which forms a winged helix-turn-helix with an additional C-terminal alpha helix. [8] [15]


          Transkriptionsfaktor

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          Transkriptionsfaktor, molecule that controls the activity of a gene by determining whether the gene’s DNA (deoxyribonucleic acid) is transcribed into RNA (ribonucleic acid). The enzyme RNA polymerase catalyzes the chemical reactions that synthesize RNA, using the gene’s DNA as a template. Transcription factors control when, where, and how efficiently RNA polymerases function.

          Transcription factors are vital for the normal development of an organism, as well as for routine cellular functions and response to disease. Transcription factors are a very diverse family of proteins and generally function in multi-subunit protein complexes. They may bind directly to special “promoter” regions of DNA, which lie upstream of the coding region in a gene, or directly to the RNA polymerase molecule. Transcription factors can activate or repress the transcription of a gene, which is generally a key determinant in whether the gene functions at a given time.

          Basal, or general, transcription factors are necessary for RNA polymerase to function at a site of transcription in eukaryotes. They are considered the most basic set of proteins needed to activate gene transcription, and they include a number of proteins, such as TFIIA (transcription factor II A) and TFIIB (transcription factor II B), among others. Substantial progress has been made in defining the roles played by each of the proteins that compose the basal transcription factor complex.

          During development of multicellular organisms, transcription factors are responsible for dictating the fate of individual cells. For example, homeotic genes control the pattern of body formation, and these genes encode transcription factors that direct cells to form various parts of the body. A homeotic protein can activate one gene but repress another, producing effects that are complementary and necessary for the ordered development of an organism. If a mutation occurs in any of the homeotic transcription factors, an organism will not develop correctly. For example, in fruit flies (Drosophila), mutation of a particular homeotic gene results in altered transcription, leading to the growth of legs on the head instead of antenna this is known as the antennapedia mutation.

          Transcription factors are a common way in which cells respond to extracellular information, such as environmental stimuli and signals from other cells. Transcription factors can have important roles in cancer, if they influence the activity of genes involved in the cell cycle (or cell division cycle). In addition, transcription factors can be the products of oncogenes (genes that are capable of causing cancer) or tumour suppressor genes (genes that keep cancer in check).


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