10.4: Kooperatywne wiązanie regulatorów transkrypcji

Regulatory transkrypcji wiążą się ze specyficznymi sekwencjami regulatorowymi cis w DNA, regulując transkrypcję genów. Te sekwencje regulatorowe cis są bardzo krótkie, zwykle mają długość mniejszą niż dziesięć par nukleotydów. Mała długość oznacza, że istnieje duże prawdopodobieństwo, że dokładnie ta sama sekwencja pojawi się losowo w całym genomie. Ponieważ regulatory mogą również wiązać się z grupami podobnych sekwencji, zwiększa to dodatkowo ryzyko przypadkowego wiązania. Regulatory transkrypcji tworzą dimery, które wiążą się z sekwencją dwa razy dłużej niż wiąże się monomer, zwiększając sekwencje i zmniejszając ryzyko przypadkowego wiązania. Dimery regulatorów transkrypcji mogą być homodimerami lub heterodimerami. W roztworze te współpracujące regulatory występują jako monomery lub słabo połączone dimery. Jednakże, gdy te monomery wiążą się z przedłużoną sekwencją regulatorową cis w DNA, tworzą stabilne dimery.

Kooperatywność to zjawisko, w którym wiązanie monomerycznego białka powoduje zmiany strukturalne w DNA i zwiększa powinowactwo miejsc regulatorowych do innych monomerów. Umożliwia to monomerom wiązanie się jako dimery w sekwencji regulatorowej cis. Zjawisko to pomaga również regulatorom uzyskać dostęp do miejsc znajdujących się w DNA, które jest ściśle związane z białkami histonowymi w nukleosomie, które w innym przypadku byłyby niedostępne. Pierwsze wiązanie zwykle zachodzi w DNA na końcu nukleosomu, gdzie nie jest on ściśle związany. Wiązanie w tym miejscu prowadzi do oddalania się DNA od histonów, co prowadzi do rozpakowania nukleosomu. To rozpakowanie zwiększa dostęp do innych witryn regulacyjnych. U eukariontów wiązanie czynników transkrypcyjnych zależy głównie od kooperatywności. Chociaż w niektórych przypadkach może wystąpić współpraca, większość wiązań regulatorów transkrypcji u prokariotów nie jest kooperatywna. W takich przypadkach regulatory istnieją jako stabilne dimery utrzymywane razem przez kilka oddziaływań niekowalencyjnych.

To, czy nieznany regulator wiąże się kooperacyjnie czy nie, można określić, wykreślając liczbę zajętych miejsc wiązania w DNA w zależności od stężenia białka. Jeśli wykres ma kształt litery S, oznacza to, że regulator wspólnie wiąże się z miejscami wiązania. Jeśli krzywa stale rośnie, a następnie stabilizuje się w miarę zbliżania się do wszystkich zajętych miejsc wiązania, oznacza to, że wiązanie nie współpracuje.

Regulatory transkrypcji to białka, które rozpoznają i wiążą się z krótkimi sekwencjami DNA znanymi jako sekwencje cis-regulatorowe. Ponieważ sekwencje te mają zwykle mniej niż dziesięć nukleotydów, szanse na losowe wystąpienie tej samej sekwencji w genomie są bardzo wysokie.

Wiele regulatorów tworzy parę dimerów w celu ograniczenia wiązania do losowych sekwencji. Dimer może wiązać sekwencje dłuższe niż dziesięć nukleotydów, co zmniejsza prawdopodobieństwo, że sekwencja będzie losowo obecna w genomie i zwiększa specyficzność wiązania.

Te dimery regulacyjne mogą być albo homodimerem wykonanym z tych samych typów monomerów, albo heterodimerem z różnymi typami monomerów. Ponieważ pary mogą składać się z różnych monomerów, różne kombinacje umożliwiają wiązanie się z różnymi sekwencjami bez konieczności stosowania nowych typów białek.

Gdy nie są związane z DNA, współpracujące regulatory istnieją jako monomery, które czasami tworzą dimery poprzez słabe, niekowalencyjne oddziaływania; jednak struktury te tworzą ściśle powiązane dimery, gdy są związane z DNA w wyniku kooperatywnego wiązania.

Wiązanie kooperacyjne to zjawisko, w którym wiązanie monomeru z sekwencją cis-regulatorową zwiększa prawdopodobieństwo wiązania drugiego regulatora z powodu zmian strukturalnych. Dzięki temu drugi regulator może ściśle związać się z drugą stroną miejsca wiązania i utworzyć dimer z pierwszym.

Oznacza to, że w większości przypadków albo wszystkie instancje określonych sekwencji cis-regulatorowych mają związany regulator, albo żadna z nich go nie ma.

W przypadku wielu genów DNA jest ściśle owinięte wokół białek histonowych, co uniemożliwia regulatorom transkrypcji dostęp do sekwencji cis-regulatorowych. Jednak luźno związany koniec DNA pozostawia pewne miejsce na wiązanie. Wiązanie pojedynczego regulatora w tym miejscu może pomóc w rozwinięciu struktury, umożliwiając w ten sposób wiązanie innych regulatorów.