Искусственный фактор транскрипции
Искусственные факторы транскрипции (ATF) — это сконструированные индивидуальные или мультимолекулярные факторы транскрипции , которые либо активируют, либо подавляют транскрипцию генов (биология) . [1]
ATF часто содержат два основных компонента, связанных вместе: ДНК-связывающий домен и регуляторный домен, также известный как эффекторный домен или модуляторный домен. [1] ДНК-связывающий домен нацелен на определенную последовательность ДНК с высоким сродством, а регуляторный домен отвечает за активацию или репрессию связанного гена. [1] ATF может напрямую регулировать экспрессию генов, может рекрутировать белки и другие факторы транскрипции для инициации транскрипции или рекрутировать белки и другие факторы транскрипции для уплотнения ДНК, что препятствует РНК-полимеразой связыванию и транскрипции ДНК ; пример факторов транскрипции, повышающих экспрессию генов, показан на рисунке 1 слева. [1] [2] Поскольку ATF состоят из двух разделимых компонентов, ДНК-связывающего домена и регуляторного домена, эти два домена взаимозаменяемы, что позволяет создавать новые ATF из существующих природных факторов транскрипции. [1]
Некоторые применения АТФ включают перепрограммирование состояния клеток, лечение рака и возможное лечение синдрома Ангельмана. [2] [3] [4]
Дизайн АТФ
[ редактировать ]ДНК-связывающий домен
[ редактировать ]ДНК-связывающий домен направляет ATF к определенной последовательности гена. Природные ДНК-связывающие белки обычно используются из-за их высокого сродства к целевой последовательности ДНК, однако в настоящее время не существует алгоритма, который сопоставлял бы аминокислотную последовательность белка с комплементарной ДНК-связывающей последовательностью, что ограничивает рациональный дизайн новых ДНК-связывающих белков. [1] Недавно были исследованы непептидные, олигонуклеотидные и полиамидные ДНК-связывающие домены, которые позволяют осуществлять рациональный дизайн. [1] Тип выбранного ДНК-связывающего домена зависит от желаемого применения ATF. Общие ДНК-связывающие домены представлены в разделе «Типы ДНК-связывающих доменов ATF» ниже. [1] [2]
Нормативный домен
[ редактировать ]Регуляторный домен отвечает за активацию или репрессию связанного гена и осуществляет эту регуляцию либо путем прямой регуляции экспрессии гена, либо путем привлечения других белков и факторов транскрипции для изменения уровней транскрипции. [1] [2] Один из способов активировать ген состоит в том, чтобы ATF рекрутировал белки, которые ослабляют обертку ДНК вокруг гистонов, позволяя РНК-полимеразе связываться и транскрибировать ген; аналогичным образом уплотнение ДНК приведет к снижению экспрессии генов за счет ингибирования связывания РНК-полимеразы. [1] Регуляторные домены, способствующие транскрипции генов, обычно представляют собой кислотные активаторы, состоящие из кислых и гидрофобных аминокислот, а регуляторные домены, подавляющие транскрипцию генов, обычно содержат больше основных аминокислот. [1] Факторы, влияющие на влияние ATF на транскрипцию, включают расстояние, на котором находится регуляторный домен от сайта транскрипции, тип клеток и количество активирующих или репрессирующих последовательностей, присутствующих в регуляторном домене. [1] Активирующие домены, регуляторные домены, которые способствуют транскрипции генов, часто способны усиливать транскрипцию в 5–40 раз, а регуляторные домены РНК, как было показано, приводят к повышению уровня транскрипции в 100 раз. [1] Альтернативная стратегия репрессии генов состоит в том, чтобы ATF превзошел естественные факторы транскрипции и физически блокировал транскрипцию с помощью РНК-полимеразы; однако создание ATF с более высоким сродством к последовательности ДНК, чем естественные факторы транскрипции, остается проблемой. [1]
Линкеры
[ редактировать ]Линкеры ковалентно или нековалентно связывают ДНК-связывающий домен и регуляторный домен. [1] Часто используются пептидные линкеры, но также существуют линкеры из полиэтиленгликоля и малых молекул. [1] Линкеры делают ДНК-связывающие домены и регуляторные домены взаимозаменяемыми, что позволяет создавать новые ATF из компонентов природных факторов транскрипции. [1] Хотя линкеры менее изучены, длина линкера важна, поскольку она изменяет степень влияния регуляторного домена на экспрессию генов. [1]
История
[ редактировать ]Большинство ATF были сконструированы путем замены существующих ДНК-связывающих доменов и регуляторных доменов для создания ATF с новыми сайтами нацеливания и последствиями регуляции транскрипции. [1] Разработанные ДНК-связывающие домены, такие как CRISPR-Cas, с новыми возможностями нацеливания, изучаются для обеспечения более высокой специфичности и контроля потенциальных побочных эффектов. [2] В будущем большой интерес будут представлять ATF, которые смогут реагировать на физиологические сигналы, изменять уровни транскрипции только в определенном типе клеток и могут быть легко доставлены без использования электропорации. [1]
Типы ДНК-связывающих доменов ATF
[ редактировать ]CRISPR-Cas
[ редактировать ]Кластеризованная система коротких палиндромных повторов с регулярными промежутками - Cas ( CRISPR -Cas) была тщательно изучена для нацеливания на конкретную последовательность ДНК с использованием одной направляющей РНК (sgRNA). [5] Для применений ATF система CRISPR-Cas модифицируется для инактивации естественной функции фермента Cas и связывания регуляторного домена с ферментом Cas. [2] Преимущества системы CRISPR-Cas заключаются в высокой специфичности между sgRNA и целевой последовательностью ДНК, а также в простоте создания новых sgRNA; однако система CRISPR-Cas требует последовательности PAM непосредственно перед целевым участком ДНК, а большой размер белка Cas препятствует доставке в клетку. [2]
СКАЗКИ
[ редактировать ]Эффекторы, подобные активаторам транскрипции (TALE), представляют собой пептидные структуры, состоящие из повторяющихся сегментов длиной 34 аминокислоты, образующих пептид общей длиной от 340 до 510 аминокислот. [2] Каждый повторяющийся сегмент сворачивается в две альфа-спирали, и аминокислоты в положениях остатков 12 и 13 в повторяющемся сегменте определяют последовательность связывания ДНК. [2] Пептид TALEs обладает высокой специфичностью к целевой ДНК, предотвращая вторичные побочные эффекты, но эта высокая специфичность предотвращает связывание ATF с несколькими сайтами и требует разных ATF для каждого желаемого эффекта. [2]
Цинковые пальцы
[ редактировать ]Цинковых пальцев в природе много, они участвуют во многих регуляторных процессах и являются обычными факторами транскрипции эукариот. [6] Цинковые пальцы Cis2/His2 были тщательно изучены, состоят из 30 аминокислот, могут связываться с непалиндромными последовательностями и содержат от 3 до 4 важных аминокислот в положениях 1, 3 и 6 альфа-спирали, которые обозначают комплементарное связывание. последовательность. [4] [7] [8] Поскольку цинковые пальцы состоят всего из 30 аминокислот, их легче доставить, и несколько цинковых пальцев можно соединить вместе, чтобы нацеливаться на более крупные последовательности ДНК с помощью одного АТФ; однако соединение более трех цинковых пальцев вместе снижает специфичность каждого цинкового пальца и увеличивает адресность за пределами объекта. [2]
Приложения ATF
[ редактировать ]Перепрограммирование состояния клетки
[ редактировать ]Управление дифференцировкой клеток и перепрограммирование судьбы клеток традиционно достигалось с помощью смеси факторов транскрипции. [9] Эта область приобрела значительный интерес после того, как было обнаружено, что четыре транскрипционных фактора Oct4/Sox2/cMyc/Klf4 перепрограммируют клетки из дифференцированного состояния в индуцированное состояние плюрипотентных стволовых клеток, подобное эмбриональным стволовым клеткам. [10] Множественные ATF, состоящие из трех связанных вместе белков цинковых пальцев, могут активировать гены, которые в конечном итоге приводят к выработке транскрипционного фактора Oct4 в клетке, заставляя клетку перепрограммироваться в индуцированное плюрипотентное состояние без добавления внешних транскрипционных факторов Oct4. [2] Изменение состояния клеток демонстрирует, что ATF могут заменять традиционные факторы транскрипции при перепрограммировании клеток. [2]
Синдром Ангельмана
[ редактировать ]Синдром Ангельмана — нарушение неврологического развития, вызванное деактивацией материнского гена UBE3A. [3] Двумя потенциальными стратегиями лечения с использованием АТФ являются усиление экспрессии материнского гена UBE3A или подавление экспрессии гена UBE3A-AS, гена, который вызывает репрессию отцовского гена UBE3A. [3] ATF TAT-S1 с цинковыми пальцами действует как сильный репрессор против гена UBE3A-AS, и при введении мышам это приводило к увеличению количества Ube3a в головном мозге. [3]
Рак
[ редактировать ]Аномальная экспрессия генов регулярно связана с раком и неконтролируемым ростом опухоли, что делает АТФ многообещающим терапевтическим средством для лечения рака. [4] Связывая 6 цинковых пальцев вместе в ATF, ATF связывается только с последовательностью из 18 пар оснований, содержащей более мелкие подпоследовательности, комплементарные каждому цинковому пальцу в ATF, поэтому ATF более специфичен, чем один цинковый палец, который нацелен только на определенные 3–4 пары оснований. последовательность пар оснований. [4] ATF, связанные с регуляторным доменом репрессора KRAB, снижают устойчивость раковых клеток к химиотерапии, а ATF, связанные с активаторными доменами, могут усиливать экспрессию гена Bax, вызывая апоптоз клеток; однако эти методы лечения остаются на ранних стадиях из-за неадекватных методов доставки. [4]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д р с т Ансари, Асим З; Мапп, Анна К (1 декабря 2002 г.). «Модульная конструкция искусственных факторов транскрипции» . Современное мнение в области химической биологии . 6 (6): 765–772. дои : 10.1016/S1367-5931(02)00377-0 . ISSN 1367-5931 . ПМИД 12470729 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м Хайдершайт, Эван А.; Эгучи, Аска; Спургат, Маккензи К.; Ансари, Асим З. (2018). «Перепрограммирование судьбы клеток с помощью искусственных факторов транскрипции» . Письма ФЭБС . 592 (6): 888–900. дои : 10.1002/1873-3468.12993 . ISSN 1873-3468 . ПМК 5869137 . ПМИД 29389011 .
- ^ Jump up to: а б с д Тан, Вен-Ханн; Берд, Линн М. (декабрь 2016 г.). «Синдром Ангельмана: современные и новые методы лечения в 2016 году» . Американский журнал медицинской генетики. Часть C. Семинары по медицинской генетике . 172 (4): 384–401. дои : 10.1002/ajmg.c.31536 . ISSN 1552-4876 . ПМИД 27860204 . S2CID 4377191 .
- ^ Jump up to: а б с д и Ян, Чунхонг; Хиггинс, Пол Дж. (1 января 2013 г.). «Лекарства, не поддающиеся лечению: транскрипционная терапия рака» . Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Обзоры о раке . 1835 (1): 76–85. дои : 10.1016/j.bbcan.2012.11.002 . ISSN 0304-419X . ПМЦ 3529832 . ПМИД 23147197 .
- ^ Нидхи, Света; Ананд, Уттпал; Олексак, Патрик; Трипати, Пуджа; Лал, Джонатан А.; Томас, Джордж; Куча, Камил; Трипати, Виджай (24 марта 2021 г.). «Новые системы CRISPR – Cas: обновленный обзор текущих достижений, применений и перспектив будущих исследований» . Международный журнал молекулярных наук . 22 (7): 3327. doi : 10.3390/ijms22073327 . ISSN 1422-0067 . ПМК 8036902 . ПМИД 33805113 .
- ^ Кассандри, Маттео; Смирнов Артем; Новелли, Флавия; Питолли, Консуэло; Агостини, Массимилиано; Малевич, Михал; Мелино, Джерри; Рашелла, Джузеппе (13 ноября 2017 г.). «Белки цинковых пальцев в здоровье и болезни» . Открытие клеточной смерти . 3 (1): 17071. doi : 10.1038/cddiscovery.2017.71 . ISSN 2058-7716 . ПМЦ 5683310 . ПМИД 29152378 .
- ^ Гомманс, Виллемейн М.; Хайсма, Хидде Дж.; Ротс, Марианна Г. (2 декабря 2005 г.). «Инженерия факторов транскрипции белка цинковых пальцев: терапевтическая значимость включения или выключения экспрессии эндогенных генов по команде» . Журнал молекулярной биологии . 354 (3): 507–519. дои : 10.1016/j.jmb.2005.06.082 . ISSN 0022-2836 . ПМИД 16253273 .
- ^ Урнов Федор Д; Ребар, Эдвард Дж (1 сентября 2002 г.). «Разработанные факторы транскрипции как инструменты терапии и функциональной геномики» . Биохимическая фармакология . Передача сигналов в клетках, транскрипция и трансляция как терапевтические мишени. 64 (5): 919–923. дои : 10.1016/S0006-2952(02)01150-4 . ISSN 0006-2952 . ПМИД 12213587 .
- ^ Такахаси, Кадзутоши; Яманака, Шинья (март 2016 г.). «Десятилетие перепрограммирования к плюрипотентности, опосредованного транскрипционными факторами» . Nature Reviews Молекулярно-клеточная биология . 17 (3): 183–193. дои : 10.1038/номер.2016.8 . ISSN 1471-0080 . ПМИД 26883003 . S2CID 7593915 .
- ^ Ци, Хуаюй; Пей, Дуаньцин (июль 2007 г.). «Магия четырех: индукция плюрипотентных стволовых клеток из соматических клеток с помощью Oct4, Sox2, Myc и Klf4» . Клеточные исследования . 17 (7): 578–580. дои : 10.1038/cr.2007.59 . ISSN 1748-7838 . ПМИД 17632550 . S2CID 9643825 .