10.4:
Kooperative Bindung von Transkriptionsregulatoren
Transcriptional regulators bind to specific cis-regulatory sequences in the DNA to regulate gene transcription. These cis-regulatory sequences are very short, usually less than ten nucleotide pairs in length. The short length means that there is a high probability of the exact same sequence randomly occurring throughout the genome. Since regulators can also bind to groups of similar sequences, this further increases the chances of random binding. Transcriptional regulators form dimers that bind to a sequence twice as long as a monomer binds, increasing the sequences and reducing the chances of random binding. Transcription regulator dimers can be homodimers or heterodimers. In solution, these cooperative regulators exist either as monomers or weakly linked dimers. However, when these monomers bind to an extended cis-regulatory sequence on the DNA, they form stable dimers.
Cooperativity is a phenomenon where the binding of a monomeric protein causes structural changes to the DNA and increases the regulatory sites’ affinity for other monomers. This enables the monomers to bind as dimers on the cis-regulatory sequence. This phenomenon also helps regulators access sites located on DNA that is tightly bound to histone proteins in the nucleosome, which would otherwise be inaccessible. The first binding usually occurs at the DNA at the end of the nucleosome, where it is not tightly bound. Binding at this site leads to the DNA moving away from the histones, thereby leading to the unpacking of the nucleosome. This unpacking increases access to the other regulatory sites. In eukaryotes, transcription factor binding predominantly depends on cooperativity. Although cooperativity can occur in some cases, most of the binding of transcriptional regulators in prokaryotes is non-cooperative. In such cases, the regulators exist as stable dimers held together by several non-covalent interactions.
Whether an unknown regulator binds cooperatively or non-cooperatively can be determined by plotting the number of occupied binding sites on the DNA against the protein concentration. If the plot is an S-shaped curve, it indicates that the regulator binds cooperatively to the binding sites. If the curve rises steadily before leveling off as it approaches all of the binding sites being occupied, it indicates that binding is non-cooperative.
Transkriptionsregulatoren sind Proteine, die kurze DNA-Sequenzen, die als cis-regulatorische Sequenzen bekannt sind, erkennen und an diese binden. Da diese Sequenzen in der Regel weniger als zehn Nukleotide lang sind, ist die Wahrscheinlichkeit, dass dieselbe Sequenz zufällig im Genom auftritt, sehr hoch.
Viele Regulatoren bilden ein Dimerpaar, um die Bindung an zufällige Sequenzen zu begrenzen. Ein Dimer kann Sequenzen binden, die länger als zehn Nukleotide sind, wodurch es weniger wahrscheinlich ist, dass die Sequenz zufällig im Genom vorhanden ist, und die Bindungsspezifität erhöht wird.
Bei diesen regulatorischen Dimeren kann es sich entweder um ein Homodimer handeln, das aus denselben Monomertypen besteht, oder um ein Heterodimer mit unterschiedlichen Arten von Monomeren. Da die Paare aus verschiedenen Monomeren bestehen können, ermöglichen die verschiedenen Kombinationen die Bindung an verschiedene Sequenzen, ohne dass neue Arten von Proteinen erforderlich sind.
Wenn sie nicht an DNA gebunden sind, existieren kooperative Regulatoren als Monomere, die manchmal durch schwache, nicht-kovalente Wechselwirkungen Dimere bilden; diese Strukturen bilden jedoch eng assoziierte Dimere, wenn sie aufgrund kooperativer Bindung an DNA gebunden sind.
Kooperative Bindung ist ein Phänomen, bei dem die Bindung eines Monomers an die cis-regulatorische Sequenz die Wahrscheinlichkeit einer zweiten Regulatorbindung aufgrund struktureller Veränderungen erhöht. Dadurch kann ein zweiter Regulator fest an die andere Seite der Bindungsstelle binden und mit dem ersten ein Dimer bilden.
Das bedeutet, dass in den meisten Fällen entweder alle Instanzen spezifischer cis-regulatorischer Sequenzen eine regulatorische Bindung haben oder keine von ihnen.
Bei vielen Genen ist die DNA fest um Histonproteine gewickelt, wodurch verhindert wird, dass transkriptionelle Regulatoren auf die cis-regulatorischen Sequenzen zugreifen können. Das lose gebundene Ende der DNA lässt jedoch einen gewissen Spielraum für die Bindung. Die Bindung eines einzelnen Regulators an dieser Stelle kann dazu beitragen, die Struktur abzuwickeln, wodurch die anderen Regulatoren binden können.
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