Name: how transcription factors bind dna
Uploaded: 2020-11-23T11:47:37.000Z
Duration: 2 min 13 s
Channel: JoVE

מווסתי שעתוק הם חלבונים המזהים ונקשרים לרצפים קצרים של דנ"א המכונים רצפים מווסתים CIS. מכיוון שרצפים אלה הם בדרך כלל באורך של פחות מעשרה נוקלאוטידים, הסיכוי שאותו רצף יתרחש באופן אקראי בגנום גבוה מאוד.
רגולטורים רבים יוצרים זוג דימר כדי להגביל את הקשירה לרצפים אקראיים. דימר יכול לקשור רצפים ארוכים יותר מעשרה נוקלאוטידים, מה שמקטין את הסבירות שהרצף יהיה נוכח באופן אקראי בגנום ומגדיל את ספציפיות הקשירה.
דימרים רגולטוריים אלה יכולים להיות הומודימר העשוי מאותם סוגי מונומרים או הטרודימר עם סוגים שונים של מונומרים. מכיוון שהזוגות יכולים להיות מורכבים ממונומרים שונים, הצירופים השונים מאפשרים קשירה לרצפים שונים ללא צורך בסוגים חדשים של חלבונים.
כאשר הם אינם קשורים לדנ"א, רגולטורים שיתופיים קיימים כמונומרים שלעיתים יוצרים דימרים באמצעות אינטראקציות חלשות ולא קוולנטיות; עם זאת, מבנים אלה יוצרים דימרים הקשורים זה לזה כאשר הם קשורים לדנ"א עקב קשירה שיתופית.
קשירה שיתופית היא תופעה שבה קשירה של מונומר לרצף cis-regulatory מגדילה את הסבירות לכריכה של רגולטור שני עקב שינויים מבניים. זה מאפשר לווסת השני להיקשר בחוזקה לצד השני של אתר הקשירה וליצור דימר עם הראשון.
משמעות הדבר היא כי רוב הזמן או כל המופעים של רצפים cis-regulatory ספציפיים יש רגולטור מחויב או אף אחד מהם לא. 
עבור גנים רבים, הדנ"א כרוך בחוזקה סביב חלבוני היסטון ומונע ממווסתי השעתוק לגשת לרצפים הרגולטוריים של CIS. עם זאת, הקצה הכבול באופן רופף של הדנ"א מאפשר מקום מסוים לקשירה. כריכה של רגולטור יחיד באתר זה יכולה לסייע בשחרור המבנה, ובכך לאפשר לרגולטורים האחרים לחייב.

<ol>
	<li>אלברטס ואחרים, מהדורה שישית; עמודים 375, 378-380</li>
	<li>Morgunova, E., & Taipale, J. (2017). פרספקטיבה מבנית של כריכת גורם שעתוק שיתופי. דעה נוכחית בביולוגיה מבנית, 47, 1-8.</li>
</ol>

כריכה משותפת של רגולטורים של שעתוק

Cooperative Binding of Transcription Regulators

<div style="direction: rtl;">

מווסתי שעתוק נקשרים לרצפים מווסתים cis ספציפיים ב-DNA כדי לווסת את שעתוק הגנים. רצפים מווסתים אלה קצרים מאוד, בדרך כלל באורך של פחות מעשרה זוגות נוקלאוטידים. האורך הקצר אומר שקיימת סבירות גבוהה שאותו רצף בדיוק יתרחש באופן אקראי ברחבי הגנום. מכיוון שהמווסתים יכולים להיקשר גם לקבוצות של רצפים דומים, הדבר מגדיל עוד יותר את הסיכויים לקישור אקראי. מווסתי שעתוק יוצרים דימרים שנקשרים לרצף כפול מהזמן שהמונומר נקשר, מגדילים את הרצפים ומקטינים את הסיכויים לקישור אקראי. דימרים מווסתי שעתוק יכולים להיות הומודימרים או הטרודמרים. כדי לפתור את זה, הרגולטורים השיתופיים הללו קיימים כמונומרים או כדימרים בעלי קשר חלש. עם זאת, כאשר מונומרים אלו נקשרים לרצף cis-רגולטורי מורחב על ה-DNA, הם יוצרים דימרים יציבים.

שיתופיות היא תופעה שבה הקישור של חלבון מונומרי גורם לשינויים מבניים ב-DNA ומגבירה את הזיקה של האתרים הרגולטוריים למונומרים אחרים. זה מאפשר למונומרים להיקשר כדימרים ברצף ה-cis-רגולטורי. תופעה זו גם עוזרת לווסתים לגשת לאתרים הממוקמים על DNA שקשור בחוזקה לחלבוני היסטון בנוקלאוזום, שאחרת לא יהיה נגיש. הקישור הראשון מתרחש בדרך כלל ב-DNA שבקצה הנוקלאוזום, שם הוא אינו קשור בחוזקה. הקישור באתר זה מוביל להתרחקות ה-DNA מההיסטונים, ובכך מוביל לפירוק הנוקלאוזום. פריקה זו מגדילה את הגישה לאתרי הרגולציה האחרים. באוקריוטים, קשירת גורמי שעתוק תלויה בעיקר בשיתוף פעולה. למרות ששיתופיות יכולה להתרחש במקרים מסוימים, רוב הקישור של מווסתי שעתוק בפרוקריוטים אינן משתפים פעולה. במקרים כאלה, הרגולטורים קיימים כדימרים יציבים המוחזקים יחד על ידי מספר אינטראקציות לא קוולנטיות.

ניתן לקבוע אם מווסת לא ידוע נקשר בשיתוף או לא בשיתוף פעולה על ידי שרטוט מספר אתרי הקישור התפוסים ב-DNA כנגד ריכוז החלבון. אם העלילה היא עקומה בצורת S, זה מצביע על כך שהווסת נקשר בשיתוף פעולה לאתרי הקישור. אם העקומה עולה בהתמדה לפני שהיא משתלבת כפי שהיא מתקרבת לכל אתרי הקישור התפוסים, זה מצביע על כך שהקישור אינו משתף פעולה.

</div>

מווסתי שעתוק נקשרים לרצפים ספציפיים של CIS רגולטוריים בדנ"א כדי לווסת את שעתוק הגנים. רצפים אלה cis-regulatory הם ...

cooperative-binding-of-transcription-regulators

Education

JoVE Core

Molecular Biology

ביולוגיה מולקולרית

Unit 1

יחידה 1

Gene Expression

ביטוי גנים

KEY TERMS AND CONCEPTS

מונחים ומושגים מרכזיים

how transcription factors bind dna

Transcriptional regulators bind to cis-regulatory DNA sequences to control gene transcription. These DNA sequences are very short, usually fewer than ten nucleotide pairs long. Because they are so short, the same sequence can appear by chance in many places across the genome.

Some regulators can also bind to groups of similar sequences. That raises the chance of random binding even more. To lower this risk, transcription regulators often form dimers, which are pairs of proteins that bind a DNA sequence that is twice as long as the sequence bound by a monomer. These dimers can be homodimers or heterodimers.

In solution, cooperative regulators may exist as monomers or as weakly linked dimers. When they bind to an extended cis-regulatory sequence on DNA, they form stable dimers. Cooperativity means that the binding of one monomer changes the DNA structure and increases the site’s affinity for other monomers. This helps the proteins bind together as dimers on the cis-regulatory sequence.

Cooperativity also helps regulators reach sites on DNA that are tightly wrapped around histone proteins in the nucleosome. These sites are usually hard to access. Binding often starts at the end of the nucleosome, where the DNA is less tightly packed. That first binding step can pull the DNA away from the histones and help unpack the nucleosome, which makes other regulatory sites easier to reach.

In eukaryotes, transcription factor binding depends mainly on cooperativity. In prokaryotes, most transcriptional regulator binding is non-cooperative, although cooperativity can occur in some cases. Non-cooperative regulators are usually stable dimers held together by several non-covalent interactions. The difference can be seen by plotting occupied binding sites against protein concentration. An S-shaped curve suggests cooperative binding, while a steady rise that levels off suggests non-cooperative binding.

How Transcription Factors Bind DNA

cell specific gene expression

How Cells Switch Genes On and Off

Cells switch genes on and off to make different proteins for different jobs. In multicellular organisms, many cell types are built from the same DNA, but they do not use the same genes in the same way. This difference in gene expression helps explain why cells can look and act so differently. Liver cells are a clear example. They help detoxify blood, make bile to help digest fats, and produce proteins needed for metabolism. To do these jobs, liver cells must express a specific set of genes.

regulation of expression occurs at multiple steps

regulation-of-expression-occurs-at-multiple-steps

How Cells Control Gene Expression

Cells control gene expression at several points between DNA and protein. The most common control point is transcription. At this stage, proteins bind to short regulatory DNA sequences and can either increase or reduce transcription of the linked gene. After transcription, a precursor mRNA is made. This pre-mRNA contains exons, which code for protein, and introns, which do not. It must be processed before translation, and splicing removes the introns and joins the exons. Cells can also regulate...

cis-regulatory sequences

How Cis-Regulatory DNA Controls Transcription

Cis-regulatory sequences are short, non-coding DNA segments that control gene transcription. They sit on the same chromosome as the genes they regulate and act as binding sites for transcriptional regulators. In eukaryotes, these proteins help control gene expression patterns in different cell types. These DNA sequences can be close to a gene or thousands of bases away. When they are far from the gene in the DNA sequence, they are often brought close together in space because chromosomes are...

cooperative binding of transcription regulators

Transcriptional regulators bind to cis-regulatory DNA sequences to control gene transcription. These DNA sequences are very short, usually fewer than ten nucleotide pairs long. Because they are so short, the same sequence can appear by chance in many places across the genome. Some regulators can also bind to groups of similar sequences. That raises the chance of random binding even more. To lower this risk, transcription regulators often form dimers, which are pairs of proteins that bind a DNA...

prokaryotic transcriptional activators and repressors

prokaryotic-transcriptional-activators-and-repressors

Operon Control by Activators and Repressors

Operon control in prokaryotes depends on activators and repressors. Prokaryotic genes are often arranged in groups, not one by one like in eukaryotes. Genes that help carry out the same biochemical process are placed together with their regulatory elements. This group is called an operon, and it is transcribed into a single polycistronic mRNA strand. Activators and repressors are DNA-binding proteins that control transcription in an operon. Activators bind near the promoter, which is the site...

operons

Operons in Bacterial Gene Control

Operons help bacteria control groups of genes at the same time. An operon is a set of genes that are regulated together and can be turned on or off as a unit. This shared control helps bacteria respond quickly to changes in their environment. In many operons, a promoter gives RNA polymerase a place to bind and start transcription. The operon also includes a regulatory region that helps control whether the genes are expressed. When conditions change, the cell can use this setup to manage gene...

the eukaryotic promoter region

Eukaryotic Promoter Motifs and Gene Control

The eukaryotic promoter region is a stretch of DNA located upstream of a gene. It includes an RNA polymerase binding site, a transcription start site, and several cis-regulatory sequences. These DNA signals help control when transcription begins. The promoter can be divided into proximal and distal regions. The proximal promoter lies close to the gene and includes cis-regulatory sequences and the core promoter. The core promoter is the RNA polymerase binding site, and it is usually found...

co-activators and co-repressors

Chromatin Control in Gene Transcription

Chromatin control plays a major role in gene transcription in eukaryotes. Gene expression is regulated by several proteins that work together at a gene regulatory site. Some of these proteins bind directly to specific DNA sequences, while co-regulators attach to those regulators but do not bind DNA on their own. Co-regulators can act as co-activators or co-repressors, depending on the complex they join. One co-regulator may even switch roles in different settings. For example, the...

eukaryotic transcription activators

How Transcription Activators Turn Genes On

Transcription activators are proteins that help turn genes on by promoting transcription from DNA to RNA. They often have two parts. One part binds to DNA, and the other part activates transcription. In some proteins, such as the glucocorticoid receptor and MyoD, one domain can do both jobs. The DNA-binding part recognizes specific regulatory sequences on the DNA. These binding domains are grouped into families based on their structure. Common examples include the leucine zipper, zinc finger,...

eukaryotic transcription inhibitors

How Eukaryotic Gene Repressors Work

Eukaryotic gene repressors help turn specific genes off when the cell needs to control growth, development, or other biochemical processes. These DNA-binding proteins regulate gene expression in eukaryotes. Their presence at the right time and place can be triggered by hormones and signals from other cells. Most transcription inhibitors have two main parts. One part binds DNA, and the other is a repressor domain, which helps shut down transcription. Repressor domains can connect with basal...

combinatorial gene control

Gene Expression by Transcription Factor Combinations

Gene expression can depend on combinations of transcription factors working together. In combinatorial gene control, several transcription factors act in a coordinated way to regulate a single gene. If one or more of these factors are missing, the level of gene expression or repression can change a lot. This kind of control helps explain how a relatively small number of transcription factors can regulate a very large number of genes. More than 30,000 genes are controlled by about 2,000 to...

induced pluripotent stem cells

Reprogramming Cells into Stem Cells

Induced pluripotent stem cells are created by reprogramming mature cells back into a stem-cell state. This process shows that specialized cells can be changed into cells with broader developmental potential. The topic is important in biology because it links cell identity, gene control, and stem cell research. These cells begin as ordinary body cells and are pushed to de-differentiate, or lose their specialized features. After reprogramming, they behave like pluripotent stem cells, which means...

master transcription regulators

MEF2C and Gene Control Cascades

MEF2C is a master transcription regulator that controls gene expression in coordinated cascades. These regulators are proteins that manage the activity of multiple genes that often work together to produce a complex outcome. When a master transcription regulator is activated, it can start a chain of transcriptional activation that supports that outcome. Master transcription regulators can act in two main ways. They may bind directly to the regulatory sequences of several genes involved in a...

epigenetic regulation

DNA Methylation and Histone Changes

Epigenetic regulation controls gene activity without changing the DNA sequence. It helps determine when genes are turned on or off in a cell. Two major epigenetic mechanisms are DNA methylation and histone modification. DNA methylation adds chemical groups to DNA, while histone changes affect how tightly DNA is packed around histone proteins. These changes can make genes easier or harder to use. In high school biology, epigenetic regulation is important for understanding how cells with the...

genomic imprinting and inheritance

Genomic Imprinting in Human Disease

Genomic imprinting affects how some inherited genes are turned on or off in human cells. Diploid organisms inherit chromosomes from both parents, and each gene usually has two alleles. In most cases, both alleles are expressed. If one allele is missing or mutated, the other can often compensate, but some genes do not work that way. In genomic imprinting, a gene or its regulatory sequence carries chemical tags, such as methyl groups, on the copy inherited from only one parent. These tags are...

key terms and concepts

Learn how transcription regulators bind cis-regulatory DNA, form dimers, unpack nucleosomes, and how S-shaped curves reveal cooperative binding.

How Transcription Factors Bind DNA | JoVE K12

molecular biology

JoVE Core Molecular Biology showcases the molecular processes of the cell through clear and concise animated video lessons. Additionally, in scientist-in-action videos, these concepts' application is demonstrated through real experiments in modern laboratories.

How Transcription Factors Bind DNA

Description

Transcript

Tags