БИОФИЗИКА, 2011, том 56, вып. 5, с. 831-839
МОЛЕКУЛЯР НАЯ И КЛЕТОЧНАЯ БИОФИЗИКА ==
НАНОТЕХНОЛОГИИ in vivo
УДК 577.3
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ КОМПЛЕКСОВ МАКРОМОЛЕКУЛ НА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ СТАДИЯХ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ КАК САМО СОГЛАСОВАННЫХ МОЛЕКУЛЯРНЫХ МАШИН
© 2011 г. А.В. Бречалов*, Д.Я. Гурский**, С.Г. Георгиева* **, Ю.В. Шидловский** ***
*Учреждение Российской академии наук Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта,
119991, Москва, ул. Вавилова, 32; **Учреждение Pоссийской академии наук Институт биологии гена РАН, 119334, Москва, ул. Вавилова, 34/5; ***Центр медицинских исследований Университета Осло, 119334, Москва, ул. Вавилова, 34/5
Поступила в p едакцию 09.06.11 г.
В pаботе приводятся pезультаты систематических исследований роли белков SAYP и ENY2 йгозоркйа melanogaster в регуляции различных этапов экспрессии генов. Экспрессия генов -система многостадийных процессов, включающих подготовку хроматиновой матрицы, инициацию транскрипции, синтез мРНК, формирование мРНП-частиц, их экспорт и трансляцию в цитоплазме. На каждой из указанных стадий функционирует большое количество факторов, которые обычно представлены белковыми комплексами, состоящими из различных субъединиц. Анализ совокупности имеющихся данных показал, что коактиваторы транскрипции SAYP и ENY2 обеспечивают организацию устойчивых белковых комплексов, которые играют в экспрессии генов роль кооперативных нанорегуляторов, определяя, таким образом, молекулярные механизмы согласования пространственно-временных характеристик процессов реализации генетической информации.
Ключевые слова: экспрессия генов, хроматин, транскрипция, изменение пространственной структуры нуклеосом - ремоделирование хроматина, процессинг мРНК, экспорт мРНП.
Экспрессия эукариотических генов, контро -лируемых РНК-полимеразой II, представляет собой многостадийный процесс, протекающий с участием наносистем, представленных кооперативными комплексами макромолекул белков. Активность гена определяется локализацией гена в ядре и его положением внутри области активной транскрипции [1-3]. Области с различным транкрипционным статусом часто разделены так называемыми пограничными элементами, одним из видов которых являются инсуляторы. Действие инсуляторов связано с функционированием различных белков, среди которых одним из наиболее изученных является фактор Su(Hw) [4,5] (рис. 1).
Первая стадия экспрессии конкретного гена - инициация транскрипции - включает в себя подготовку матрицы хроматина на участках промоторов для адсорбции на них факторов транскрипции. Эти процессы осуществляются хроматин-ремоделирующими и хроматин-моди-
Сокращение: мРНП-частица - рибонуклеопротеиновая частица.
фицирующими комплексами [6-8]. Первые представлены несколькими семействами белковых комплексов, осуществляющих перемещение нуклеосом, что необходимо для обеспечения доступа факторов транскрипции непосредственно к промоторным областям ДНК. Одними из наиболее важных у эукариот являются хрома-тин-р емоделирующие комплексы семейства SWI/SNF (Brahma) [9,10]. Вторая группа факторов химически модифицирует концевые аминокислотные последовательности гистонов, одним из широко распространенных факторов является комплекс SAGA/TFTC, осуществляющий ацетилирование и дезубиквитинилирова-ние гистонов [11-13].
Узнавание промотор а о существляется общими факторами транскрипции, из них особенно важен фактор TFIID, содержащий TATA-свя-зывающий белок TBP (TATA-binding рго1еш) [14]. Связывание TFIID запускает сборку пре-инициаторного комплекса, включающего в себя также другие факторы инициации транскрипции и РНК-полимер азу II. После запуска транскрипции синтезируемая мРНК процессируется
Рис. 1. Схема последовательных этапов экспрессии гена в ядре (объяснение в тексте). Показана роль факторов ENY2 и SAYP. Фактор ENY2 входит в состав различных мультибелковых комплексов, осуществляющих контроль экспрессии генов: SAGA-комплекса, осуществляющего предшествующие инициации транскрипции ацетилирование (Ас) и дезубиквитинилирование (Ub) нуклеосом; комплекса THO, участвующего в элонгации транскрипции и формировании мРНП-частиц; комплекса экспорта мРНК - AMEX, a также необходим для барьерной активности Su(Hw)-завиcимыx инсуляторов, играющих важную роль в распределении хроматина внутри ядра клетки. Фактор SAYP объединяет комплексы: Brahma, осуществляющий ремоделирование хроматина, и общий фактор транскрипции TFIID в суперкомплекс BTFly. Фактор SAYP способствует адсорбции суперкомплекса BTFly на промоторную область гена, обеспечивая ремоделирование хроматина и сборку преини-циаторного комплекса.
и формируется рибонуклеопротеиновая частица (мРНП-частица). В этом процессе важную роль играет комплекс THO (THO сотр1ех) [15-17]. Экспорт мРНП из ядра в цитоплазму осуществляется специализированным аппар атом, связанным с комплексом ядерной поры NPC (Ñatear Роге Сотр1ех) [18-20].
Все указанные факторы представлены белковыми комплексами, состоящими из множества субъединиц. Часто они обладают ферментативной активностью и представляют собой многопрофильные молекулярные машины, функционирующие на различных стадиях единого процесса. Комплексы стабильны и относительно независимы, однако в клетке их функционирование четко взаимосвязано. Для анализа способов самосогласования пр оцессов экспр ес-сии генов был успешно использован генетический метод энхансер-зависимой транскрипции.
Модельная система гена yellow у Drosophila melanogaster была использована для поиска новых факторов, участвующих в действии энхансеров указанного гена [21]. Ими оказались фактор TAF9, компонент комплексов TFIID и SAGA [22], а также новые факторы SAYP и ENY2. Изучение механизма действия последних показало, что они являются факторами, координирующими различные этапы экспрессии генов (рис. 1).
ФАКТОР SAYP ФОРМИРУЕТ БЕЛКОВЫЙ
CУПЕРКОМПЛЕКС - КОАКТИВАТОР ТРАНСК РИПЦИИ РНК-ПОЛИМЕРАЗЫ II
Фактор SAYP (Supporter of Activation of yellow Protein) - продукт гена e(y)3 Drosophila melanogaster. Анализ уровня экспрессии гена e(y)3 показал, что SAYP присутствует во многих тканях на разных стадиях развития. Нами получены две мутации гена e(y)3: мутация e(y) 3ul, характеризующаяся сниженной экспрессией гена и делецией С-концевой последовательности белка, и летальная мутация e(y)3EMSl, кодирующая еще более укороченный белок. Летальность мутации гена e( y) 3 говорит о важной роли, которую играет фактор SAYP в онтогенезе. В частности, генетические данные указы -вают на исключительную важность фактора SAYP в раннем эмбриогенезе, формировании имагинальных дисков у личинок и созревании ооцитов у взрослых особей [23]. Обобщенные данные, полученные при изучении мутаций гена e( y) 3, позволяют отнести его к семейству генов триторакс, регулирующих развитие [24].
Окраска политенных хромосом показала наличие большого количества сайтов локализации SAYP, расположенных в эухроматине. Совместное иммуноокрашивание SAYP и РНК-поли-
Рис. 2. Схема белка SAYP. Белок SAYP содержит AT-hook и консервативный участок, состоящий из одного SAY- и двух PHD-доменов. Ядерный рецептор DHR3 взаимодействует с последовательностью, расположенной в AT-hook домене, SAY-домен связывает белки BAP170 и TAF5, PHD-цинковые пальцы связываются с концевыми последовательностями гистонов. В верхней части рисунка представлены гомологи фактора SAYP в различных организмах. Справа указаны названия гомологичных белков, длина аминокислотной последовательности и видовая принадлежность.
мер азы II показало, что многие сайты, содержащие полимеразу (сайты активной транскрипции), также содержат фактор БЛУР, что говорит о его важности в активации транскрипции многих генов [23]. Генетические данные согласуются с этим выводом.
Фактор Б АУР был также обнаружен в пе-рицентрическом гетерохроматине и гетерохро-матине четвертой хр омосомы. Генетические эксперименты показали, что ген е(у)3 является супр ессором эффекта положения, что указывает на участие фактор а БЛУР в р епрессии транскрипции (8Пепсш§) в гетерохроматине [25]. Таким образом, в соответствии с тем, каким оказывается окр ужение фактора БЛУР в хр омати-не, фактор БЛУР выполняет противоположные функции - активирует или подавляет экспрессию генов.
Фактор Б АУР представляет собой белок, состоящий из 2008 аминокислотных остатков. Анализ аминокислотной последовательности позволил выделить несколько доменов. Фактор БЛУР содержит четыре серин-богатые области, два про-лин-богатых участка, две положительно заряженные области, а также семь участков полипептидной цепи, являющихся сигнальными последовательностями, указывающими на их локализацию в ядре. В центральной части белка находится ЛТ-Ьоок - небольшой мотив, узнающий АТ-бо-гатые последовательности и способный связываться с ДНК. ЛТ-Ьоок-мотив характерен для транскрипционных факторов, ассоциированных с хроматином и выполняющих функции как активации, так и репрессии (рис. 2) [26].
В С-концевой области белка БЛУР расположены два домена цинковых пальцев РЫБ-
типа (Plant HomeoDomain Zn-finger). Это небольшие (как правило, ~65 аминокислотных остатков) домены, способные к узнаванию и связыванию модифицир ованных (метилированных или ацетилированных) или немодифици-рованных концевых участков полипептидных цепей гистонов [27,28]. PHD-домены обнаружены в составе транскрипционных факторов, а также факторов ремоделирования хроматина, и важны в процессах транскрипции, репарации, рекомбинации и репликации. Примечательно то, что при мутации e(y)3u1, связанная с отсутствием PHD-доменов в белке, фактор SAYP переставал функционировать в гетерохромати-не. Это указывает на важность PHD-доменов в распознавании типа модификации гистонов, окружающих фактор SAYP [23].
Сравнение аминокислотной последовательности SAYP с последовательностями белков других видов позволило найти его гомологи в различных многоклеточных животных (у млекопитающих это белок PHF10) [23,29-32], а также выявить новый эволюционно консервативный домен, названный SAY-доменом. Гомологи фактор а SAYP имеют в своем со ставе вар иабельную N-концевую последовательность (различной длины), SAY-домен, се
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.