10.4: 전사 조절자의 협동 결합

Cooperative Binding of Transcription Regulators
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Molecular Biology
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Cooperative Binding of Transcription Regulators

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02:13 min
November 23, 2020

Overview

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.

Transcript

전사 조절인자(transcriptional regulator)는 시스 조절 염기서열(cis-regulatory sequence)로 알려진 DNA의 짧은 염기서열을 인식하고 결합하는 단백질입니다. 이러한 염기서열은 일반적으로 10개 미만의 뉴클레오티드 길이이기 때문에 게놈에서 동일한 염기서열이 무작위로 발생할 가능성이 매우 높습니다.

많은 레귤레이터는 무작위 서열에 대한 결합을 제한하기 위해 이량체 쌍을 형성합니다. 이량체는 10개의 뉴클레오티드보다 긴 염기서열을 결합할 수 있으므로 염기서열이 게놈에 무작위로 존재할 가능성이 줄어들고 결합 특이성이 증가합니다.

이러한 조절 이량체는 동일한 유형의 단량체로 만들어진 동형이량체 또는 다른 유형의 단량체를 가진 이종이량체일 수 있습니다.쌍은 서로 다른 단량체로 구성될 수 있기 때문에 다양한 조합으로 새로운 유형의 단백질이 필요하지 않고 다른 서열에 결합할 수 있습니다.

DNA에 결합하지 않을 때, 협력 조절자는 때때로 약한 비공유 상호작용을 통해 이량체를 형성하는 단량체로 존재하지만, 이러한 구조는 협력 결합으로 인해 DNA에 결합할 때 밀접하게 연결된 이량체를 형성합니다.

협력 결합(Cooperative binding)은 단량체가 시스 조절 서열에 결합하면 구조적 변화로 인해 두 번째 조절 물질 결합의 가능성이 증가하는 현상입니다. 이를 통해 두 번째 조절제가 결합 부위의 다른 쪽에 단단히 결합하고 첫 번째 조절체와 이량체를 형성할 수 있습니다.

이것은 대부분의 경우 특정 시스 조절 서열의 모든 인스턴스가 레귤레이터를 가지고 있거나 그 중 어느 것도 바인딩하지 않음을 의미합니다.

많은 유전자의 경우, DNA는 히스톤 단백질로 단단히 싸여 있어 전사 조절자가 시스 조절 서열에 접근하는 것을 방지합니다. 그러나 느슨하게 결합된 DNA의 끝은 결합할 수 있는 약간의 공간을 허용합니다. 이 사이트에서 단일 레귤레이터의 결합은 구조를 푸는 데 도움이 될 수 있으므로 다른 레귤레이터가 결합할 수 있습니다.

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