Промотор: различия между версиями

Обычно промотор расположен вокруг точки старта транскрипции – первого нуклеотида, с которого получается транскрипт, имеющий координату +1 (предыдущий нуклеотид обозначается как -1). Промотор обычно включает ряд [[Мотив (молекулярная биология)|мотивов]], важных для узнавания его РНК-полимеразой. В частности, [[Прибнов-бокс|-10]] и -35 элементы у [[бактерии|бактерий]], [[ТАТА-бокс]] у [[эукариоты | эукариот]]<ref name="MBOG">< /ref>.

Промотор асимметричен, что позволяет РНК-полимеразе начать транскрипцию в правильном направлении и указывает на то, какая из двух цепей ДНК будет служить матрицей для синтеза [[РНК]]. Матричная цепь ДНК называется некодирующей, при этом другая, кодирующая цепь совпадает с полученной РНК по последовательности (исключая замену [[тимин]]а на [[урацил]])<ref name="MBOG">< /ref>.

То, под каким промотором находится кодирующий РНК участок ДНК, играет решающую роль в интенсивности [[экспрессия генов|экспрессии]] этого [[ген]]а в каждом конкретном типе клеток. По активности промоторы делят на ''конститутивные'' (постоянный уровень транскрипции) и ''индуцибельные'' (транскрипция зависит от условий в клетке, например от присутствия определенных веществ или наличия теплового шока). Активация промотора определяется присутствием набора [[Факторы транскрипции|транскрипционных факторов]]<ref name="MBOG">< /ref>.

Коровая [[РНК-полимераза]] бактерий (состоящая из субъединиц α2ββ'ω) может инициировать транскрипцию в любом месте генома. Однако, в клетке инициация происходит только в промоторных участках. Такая специфичность обеспечивается σ-субъединицей ([[Сигма-фактор|σ-фактор]]), которая в комплексе с коровым ферментом образует [[Ферменты#Кофакторы ферментов|холофермент]]. Основным σ-фактором клеток ''Escherichia coli'' является σ{{sub|70}}-субъединица<ref name="MBOG">< /ref>.

Классический (σ{{sub|70}}) промотор предстваляет собой две консервативные последовательности длиной по 6 нуклеотидов, расположенные выше сайта начала транскрипции на 10 и 35 п.о., разделенные 17 нуклеотидами. Эти последовательности называются соответственно [[Прибнов-бокс |''-10'']] и ''-35 элементами''. Элементы не идентичны во всех промоторах, но для них можно получить консенсусные последовательности<ref name="MBOG">< /ref>.

Некоторые сильные промоторы также имеют ''UP-элемент'', расположенный выше -35-элемента, который повышает уровень связывания РНК-полимеразы. Некоторые σ{{sub|70}} промоторы не имеют -35-элемента, зато имеют -10-элемент, расширенный вверх на несколько нуклеотидов (''extended -10''). Таков промотор [[галактозный оперон | галактозного оперона]] [[Кишечная палочка|''E.coli'']]. Иногда ниже -10-элемента располагается ещё один связывающий элемент – ''дискриминатор''<ref name="MBOG">< /ref>.

[[Сигма-фактор#Специализированные сигма факторы|Альтернативные σ-субъединицы]] РНК-полимеразы меняют специфичность узнавания промоторов. Например, σ{{sub|32}}-субъединица вызывает узнавание промоторов генов ответа на тепловой шок, σ{{sub|54}} связана с генами метаболизма азота<ref name="MBOG">< /ref>.

Коровый промотор эукариот – это минимальный набор элементов последовательности, необходимый для связывания РНК-полимеразы II и транскрипционных факторов, вовлеченных в процесс старта инициации транскрипции. Обычно длина корового промотора составляет 40-60 п.о., а располагаться он может или выше, или ниже точки старта транскрипции. Полный набор элементов корового промотора включает в себя [[BRE|BRE-элемент]], [[ТАТА-бокс]], Inr (инициатор) и/или нижележащие элементы (DPE, DCE и MTE). Обычно, в промоторе находится комбинация из этих элементов. Например, в одном промоторе обычно не встречаются DPE и TATA-бокс одновременно. Часто встречается комбинация TATA-бокса, DPE и Inr<ref name="MBOG">< /ref>.

В эукариотических клетках кроме РНК-полимеразы II есть еще две РНК-полимеразы, транскрибирующие рРНК (за это ответственна [[РНК-полимераза#РНК-полимераза в эукариотических клетках|РНК-полимераза I]]) и такие [[Некодирующие РНК|некодирующие РНК]] как [[тРНК]] и 5sРНК (их транскрибируют [[РНК-полимераза#РНК-полимераза в эукариотических клетках|РНК-полимераза III]])<ref name="MBOG">< /ref>.

РНК-полимераза I в клетках эукариот транскрибирует единственный ген-предшественник [[рРНК]], присутствующий в геноме во многих копиях. Промотор гена рРНК содержит коровые элементы (координаты около -45 +20) и UCE (''upstream control element'', координаты около -150 -100). Инициация транскрипции этого гена также требует несколько факторов транскрипции – TBP, SL1 (состоит из белков TBP и трех TAF) и UBF. UBF связывает UCE-элемент, SF1 – коровый промотор. Связанный UBF стимулирует связывание полимеразы с участком корового промотора<ref name="MBOG">< /ref>.

РНК-полимераза III транскрибирует гены некоторых [[Некодирующие РНК|некодирующих РНК]] клетки ([[тРНК]], 5sРНК). Промоторы РНК-полимеразы III очень разнообразны и обычно лежат ниже точки старта транскрипции. Промоторы генов тРНК, в частности, содержат A- и B-боксы, для инициации требуются факторы транскрипции TFIIIB и TFIIIC. Другие промоторы могут содержать A- и C-боксы (например 5sРНК), для инициации требуются факторы транскрипции TFIIIA, TFIIIB, TFIIIC. Группа промоторов РНК-полимеразы III содержит [[ТАТА-бокс]]ы<ref name="MBOG">< /ref>.

Регуляция уровня транскрипции часто происходит на стадии инициации, то есть от связывания РНК-полимеразы с промотором до начала элонгации<ref name="MBOG">< /ref>.

У бактерий связывание с промотором определяется структурной частью полимеразы – σ-субъединицей. Также часто в регуляции участвуют белки-регуляторы, которые могут ускорять процесс и повышать его эффективность (активаторы), либо замедлять (репрессоры)<ref name="MBOG">< /ref>.

Гены эукариот не образуют оперонов, каждый ген обладает своим промотором. Эукариоты обладают хроматином, состоящим из ДНК и нуклеосом. И ДНК, и нуклеосомы могут подвергаться химической модификации, которая влияет на уровень транскрипции. Также, в регуляции промоторов у эукариот участвуют другие участки ДНК, такие как энхансеры, сайленсеры, инсуляторы, граничные элементы<ref name="MBOG">< /ref>.

Последовательности и особенности регуляции многих промоторов из разных живых организмов сейчас хороши изучены. Эти знания широко применяются при создании [[ Генетическая инженерия | биоинженерных генетических конструкций]] ([[плазмиды|плазмид]], [[Вектор (молекулярная биология) | векторов]]). Для экспрессии продукта в клетках бактерий или эукариот может быть использован как промотор, характерный для этой группы организмов, найденный в геноме, так и промотор, например, из вирусов, которые заражают данный организм<ref name="MBOG">< /ref>.

, [[галактозный оперон]]. Хорошо изученными промоторами эукариотических клеток являются GAL1 промотор у дрожжей, индуцибельный тетрациклиновый промотор TRE и индуцибельный эдкизоновый промотор. В вирусном геноме так же как и в про- и эукариотическом есть промоторы, например промотор фага T5, [[:en:T7 RNA polymerase#Activity|промотор фага T7]]{{ref-en}}, конститутивные промоторы вирусов SV40 (вирус полиомы), RSV, CMV (цитомегаловирус)<ref name="MBOG">< /ref>.

Зачастую алгоритмы предсказания промоторов выдают большое количество ложноположительных результатов (предсказывают последовательности промоторов, которые таковыми не являются). Например, в среднем, различные алгоритмы предсказывают один промотор на 1000 п.о., в то время как человеческий геном содержит примерно один ген на 30000-40000 п. о.<ref name="EPP">{{cite journal doi|author=Pedersen A Gorm, Brunak S, Baldi P, Chauvin Y |date=1999 |title=The biology of eukaryotic promoter prediction - a review |journal=Comput Chem |volume=23 |issue=3-4 |pages=191-207 |doi=10.1016/S0097-8485(99)00015-7}}</ref> Такой результат связан с тем, что при предсказании промоторов необходимо учитывать множество факторов<ref name="EPP"></ref>:

|| TSSW<ref name="solvyev_prom">{{cite journal |author=Solovyev VV, Shahmuradov IA, Salamov AA |year=2010 |title=Identification of promoter regions and regulatory sites |journal=Methods Mol Biol |volume=674 |pages=57-83 |doi=10.1007/978-1-60761-854-6_5}}</ref> || Алгоритм предсказывает потенциальные сайты начала транскрипции с помощью линейной дискриминантной функции, объединяющей характеристики, описывающие функциональные [[Мотив (молекулярная биология)|мотивы]] и олигонуклеотидный состав этих сайтов. TSSW использует базу данных функциональных сайтов TRANSFAC (автор базы данных – E. Wingender<ref name="transfac">{{cite journal doi|author=Wingender E, Dietze P, Karas H, Knuppel R |date=1996 |title=TRANSFAC: a database on transcription factors and their DNA binding sites |journal=Nucleic Acids Res |volume=24 |issue=1 |pages=238-241 |doi=10.1093/nar/24.1.238}}</ref>, отсюда последняя буква в названии метода TSSW). || PolII промоторный регион человека.

|| TSSG<ref name="solvyev_prom"></ref>/Fprom <ref name="solvyev_prom"></ref> || Алгоритм TSSG работает так же, как и TSSW, однако использует другую базу данных, TFD<ref name="tfd">{{cite journal doi|author=Ghosh D |date=1990 |title=A relational database of transcription factors |journal=Nucleic Acids Res |volume=18 |issue=7 |pages=1749-1756 |doi= 10.1093/nar/18.7.1749}}</ref>. Fprom – тот же TSSG, натренированный на другом наборе последовательностей промоторов. || TSSG – PolII промоторный регион человека, Fprom – промоторный регион человека.

|| PePPER<ref name="pepper">{{cite journal doi|author=de Jong A, Pietersma H, Cordes M, Kuipers OP, Kok J |date=2012 |title=PePPER: a webserver for prediction of prokaryote promoter elements and regulons |journal=BMC Genomics |volume=13 |issue=1 |pages=299 |doi=10.1186/1471-2164-13-299}}</ref> || Алгоритм предсказывает промоторный регион основываясь на курируемых [[Позиционная весовая матрица|позиционной весовой матрице]] и [[Скрытая марковская модель|скрытой марковской модели]] для -35 и -10 консенсусных последовательностей, а также различных сайтов связывания [[Сенная палочка|''Bacillus subtilis'']] и [[Кишечная палочка|''Escherichia coli'']] (взяты как представители [[Грамположительные бактерии|грамположительных]] и [[Грамотрицательные бактерии|грамотрицательных]] бактерий соответственно). || Промоторный регион прокариот (подходит в основном для бактериальных геномов).

|| PromoterInspector<ref name="prom_insp">{{cite journal doi|author=Scherf M, Klingenhoff A, Werner T |date=2000 |title=Highly specific localization of promoter regions in large genomic sequences by PromoterInspector: a novel context analysis approach |journal=J Mol Biol |volume=297 |issue=3 |pages=599-606 |doi=10.1006/jmbi.2000.3589}}</ref> || [[Эвристический алгоритм]] основывается на геномном окружении промоторной области выборки последовательностей млекопитающих. || PolII промоторный регион мелкопитающих.

|| BPROM<ref name="solvyev_prom"></ref> || Алгоритм работает так же, как и TSSW, использует базу данных функциональных сайтов DPInteract<ref name="dpinteract">{{cite journal doi|author=Robinson K, McGuire AM, Church GM |date=1998 |title=A comprehensive library of DNA-binding site matrices for 55 proteins applied to the complete Escherichia coli K-12 genome |journal=J Mol Biol |volume=284 |issue=2 |pages=241-254 |doi=10.1006/jmbi.1998.2160}}</ref>. || σ{{sub|70}} промоторный регион ''E.coli''.

|| NNPP 2.2<ref name="nnpp">{{cite journal doi|author=Burden S, LinYX, Zhang R |date=2005 |title=Improving promoter prediction for the NNPP2.2 algorithm: a case study using Escherichia coli DNA sequences |journal=Bioinformatics |volume=21 |issue=5 |pages=601-607 |doi=10.1093/bioinformatics/bti047}}</ref> || Программа представляет собой [[Искусственная нейронная сеть|нейронную сеть]] с запаздыванием, которая состоит из двух функциональных слоев, один – для распознавания TATA-бокса и один – для распознавания Inr-элемента. || Промоторный регион эукариот и прокариот.

|| G4PromFinder<ref name="g4promfinder">{{cite journal doi|author=di Salvo M, Pinatel E, Tala A, Fondi M, Peano C, Alifano P |date=2018 |title=G4PromFinder: an algorithm for predicting transcription promoters in GC-rich bacterial genomes based on AT-rich elements and G-quadruplex motifs |journal=BMC Bioinformatics |volume=19 |issue=1 |pages=36 |doi=10.1186/s12859-018-2049-x}}</ref> || Алгоритм идентифицирует предполагаемые промоторы на основе AT-богатых элементов и [[G-квадруплексы|G-квадруплексных]] ДНК-мотивов в GC-богатом регионе. || Промоторный регион бактерий.

С ростом количества предсказанных, экспериментально показанных промоторных регионов различных организмов возникла необходимость создания базы данных промоторных последовательностей. Крупнейшей базой данных эукариотических последовательностей промоторов (в основном позвоночные организмы) является Eukaryotic Promoter Database<ref name="epd_old">{{cite journal doi|author=Cavin Perier R, Junier T, Bucher P |date=1998 |title=The eukaryotic promoter database EPD |journal=Nucleic Acids Res |volume=26 |issue=1 |pages=353-357 |doi=10.1093/nar/26.1.353}}</ref>. База данных подразделяется на две части. Первая (EPD) – это курируемая коллекция последовательностей промоторов, полученная при помощи обработки экспериментальных данных, вторая (EPDnew) – результат слияния информации о промоторах из базы данных EPD с анализом данных методов высокопроизводительного секвенирования. При помощи высокопроизводительных методов получения транскриптомов, удалось получить набор промоторов для некоторых представителей растений и грибов<ref name="epd_new">{{cite journal |author=Dreos R, Ambrosini G, Groux R, Cavin Perier R, Bucher P |date=2017 |title=The eukaryotic promoter database in its 30th year: focus on non-vertebrate organisms |journal=Nucleic Acids Res |volume=45 |issue=D1 |pages=D51-D55 |doi=10.1093/nar/gkw1069}}</ref>: [[Резуховидка Таля|''Arabidopsis thaliana'']] (Резуховидка Таля), [[Кукуруза|''Zea mays'']] (Кукуруза сахарная), ''[[Saccharomyces cerevisiae]]'' (Пекарские дрожжи), ''[[Schizosaccharomyces pombe]]''<ref name="epd_new">{{cite doi|10.1093/nar/gkw1069}}</ref>.