קדם

קַדָּם (באנגלית: Promoter; ובתעתיק לעברית המשמש בז'רגון המדעי: פְּרוֹמוֹטֶר) הוא אזור ב-DNA האחראי לבקרה של ביטוי גן הסמוך אליו. אתר הקַדָּם ממוקם בקצה החמישי של רצף בסיסים המקודד לגנים מתועתקים. קַדָּמים ממלאים תפקיד מכריע וחיוני בתחילת ביטוי גנים. תפקידם העיקרי הוא לווסת את תהליך התעתוק, שהוא השלב הראשון בביטוי גנים. קַדָּמים מספקים אתרי קישור עבור רנ"א פולימראז, האנזים האחראי לסינתזה של רנ"א על פי רצף הדנ"א. המבנה והרצף של הקַדָּמים משתנה בין אורגניזמים שונים. בארכאונים ובחיידקים, הקדמים בדרך כלל קצרים, באורך של כ-100–200 זוגות בסיסים. לעומת זאת, באאוקריוטים, הקדמים מורכבים יותר ויכולים להגיע עד 1,000 זוגות בסיסים באורכם. קַדָּם של גן מסוים יכול לקבוע מתי והיכן הגן מועתק. לדוגמה, חלק מהקדמים פעילים רק בסוגי תאים או רקמות ספציפיות, בעוד שאחרים פעילים רק בתגובה לגירויים מסוימים. הקַדָּם יכול גם לקבוע את רמת הביטוי של הגן. גנים עם קַדָּמים חזקים מתועתקים לעיתים קרובות יותר מאשר גנים עם קדמים חלשים. על ידי שליטה בפעילות של הקַדָּמים, תאים יכולים לאפשר שהגנים יתועתקו אך ורק במידת הצורך. הקַדָּם הראשון שזוהה היה חלק מהתגלית של אופרון הלקטוז בחיידקים. בתחילת שנות ה-60, פרנסואה ז'קוב וז'אק מונו ערכו מחקר חלוצי במכון פסטר בפריז, בו הם חקרו כיצד חיידקי Escherichia coli (E. coli) מפרקים את סוכר הלקטוז. במהלך המחקר, הם חשפו את קיומו של רצף המתפקד כמתג גנטי השולט על תעתוק שלושה גנים (lacZ, lacY, lacA) המקודדים לשלושה אנזימים בעלי פונקציות הקשורות בוויסות מטבולי של סוכר הלקטוז בחיידקי E. coli. תעתוק של מספר גנים המבוקר יחד על ידי אזור בקרה וקדם אחד זכה לכינוי אופרון. ליתר פירוט, ז'קוב ומונו הבחינו שבהיעדר לקטוז, נקשר גורם מעכב (repressor, דכאן) לאתר המפעיל (operator), ומונע מרנ"א פולימראז להיקשר לקַדָּם ולתעתק את הגנים. במקביל, בנוכחות לקטוז, הרפרסור אינו פעיל, מה שמאפשר לרנ"א פולימראז להיקשר לקַדָּם ולהתחיל את ביטוי הגנים. גילוי הקַדָּמים ותפקידם בביטוי גנים בתוך אופרון הלקטוז היה תגלית פורצת דרך שסיפקה הבנה בסיסית לאופן שבו גנים מבוקרים בחיידקים. מחקרם של ז'קוב ומונו לא רק תרם לפיתוח מושג האופרון, אלא גם הניח את היסוד למחקרים עתידיים על ויסות ביטוי גנים הן בפרוקריוטים והן באאוקריוטים. בקרת התחלת התעתוק תלויה בעיקרה בשתי אינטראקציות שיכולות להתרחש בין חלבונים לדנ"א בסמוך למקום התחלת התעתוק של גן מסוים. האינטראקציה הראשונה מתרחשת על גבי הדנ"א במיקום תחילת התעתוק, כלומר ברצף הבסיסים של הקַדָּם. כאשר נקשר החלבון רנ"א פולימראז לרצף הקַדָּם, תהליך התעתוק מתחיל במרחק של בסיסים אחדים ממקום הקדם. באופן כללי, לכל גן חייב להיות קדם, אחרת לא ניתן לתעתק אותו. האינטראקציה השנייה מתרחשת על גבי הדנ"א באזורים הסמוכים לקַדָּם. אינטראקציה זו קובעת אם יתרחש תעתוקו של הגן על ידי בקרת נגישותו של הרנ"א פולימראז לקדם בשיתוף פעולה עם פקטורי תיעתוק – חלבונים קושרי דנ"א וכאלה שקושרים את הרנ"א פולימראז ומבקרים את פעולת התיעתוק. מקטעי הדנ"א שבדרך כלל סמוכים לקַדָּם, כמו מַעַצְמִים (Enhancers), משתיקים (Silencers) או מפעילים (Operators), משמשים כאתרי קישור לחלבוני בקרה כמו משַפעילים (Activators), דַּכְּאָנים (Repressors) וגורמי תעתוק (Transcription factors). מיקומם של הקדמים ואתרים אחרים הקשורים לתעתוק מסומנים בדרך כלל בסימן שלילי (-) או בסימן חיובי (+) ביחס לאתר תחילת התעתוק (Transcription start site). כאשר מדובר בקַדָּם, מיקומו תמיד יהיה בסימן שלילי (-) מכיוון שקדמים תמיד ממוקמים במעלה הזרם (upstream) ביחס לאתר התחלת התיעתוק. לעומת זאת, כאשר מדובר באתר הנמצא במורד הזרם (downstream), הסימן שלו יהיה חיובי (+), כך שעל פי המוסכמה, בסיס הדנ"א הראשון המתועתק ממוספר כבסיס 1+ . בחיידקים, בדרך כלל, קישורו של חלבון משפעל (Activator) לאתר המטרה שלו בדנ"א מסייע פיזית לקישור הרנ"א פולימראז לקַדָּם הקרוב אליו, מה שמאפשר את התחלת התעתוק (בקרה חיובית). במקביל, קישורו של דכאן (repressor) לאתר המפעיל (operator) יוצר הפרעה פיזית בקישורו של הרנ"א פולימראז לקַדָּם או חסימת תנועתו לאורך שרשרת הדנ"א, מה שמעכב את תהליך התעתוק (בקרה שלילית). יחד, חלבוני בקרה אלה ואתרי הקישור שלהם מהווים מתגים גנטיים השולטים בשינויים יעילים בביטוי גנים המתרחשים בתגובה לתנאים סביבתיים. תחילת תעתוק בחיידקים הוא תהליך מבוקר שכולל אינטראקציה ישירה בין הרנ"א פולימראז לבין הקַדָּם. רנ"א פולימראז בחיידקים הוא הולואנזים (Holoenzyme) שמורכב מאנזים ליבה (תצמיד של חמש תתי-יחידות: שתי תת-יחידות α, אחת β, אחת β', ואחת ꞷ) וגורם סיגמא (תת-יחידה σ) שממלא תפקיד משמעותי בזיהוי וקשירת הקַדָּם. גורמי סיגמא מגוונים מסוגלים לזהות רצפי קַדָּמים שונים ומאפשרים לרנ''א פולימראז לאתחל תעתוק במגוון רחב של גנים. הקדם בחיידקים מכיל שלושה אזורים חשובים (איור 1): אלמנט זיהוי הליבה (Core Recognition Element): רצף בסיסים הממוקם בעמדה שנמצאת בין 4 זוגות בסיסים במעלה הזרם לבין 2 זוגות בסיסים במורד הזרם (בין 4- ל־2+) בתוך אזור הקדם. אלמנט מזוהה על ידי הרנ"א פולימראז במהלך תחילת התעתוק והוא חיוני למיקום מדויק וקשירה של רנ"א פולימראז לקדם, כך שמבטיח את ההתחלה הנכונה של התיעתוק. אלמנט 10- (הידוע גם בשם Pribnow box): רצף דנ"א שמור הממוקם בדרך כלל 10 זוגות בסיסים במעלה הזרם של אתר תחילת התעתוק. יש לו רצף מוסכם (consensus sequence) של "TATAAT" בחיידקי E. coli. אינטראקציה של אלמנט 10- עם גורם סיגמא (σ) מסייעת למקם כראוי את הרנ"א פולימראז על גבי הקדם ומקלה על פתיחת גדילי הדנ"א בתחילת התיעתוק. אלמנט 35-: רצף דנ"א שמור נוסף הממוקם בדרך כלל 35 זוגות בסיסים במעלה הזרם של אתר תחילת התיעתוק. הרצף המסייע במיקום וייצוב ההולואנזים רנ"א פולימראז על גבי הקדם. יש לו רצף מוסכם של "TTGACA" בחיידקי E. coli. אלמנט 35- מספק אתר זיהוי נוסף עבור גורם הסיגמא מה שגורם לחזק את הזיקה של רנ"א פולימראז לקדם. האינטראקציה עם האלמנט 35- תורמת ליציבות ולספציפיות של קישור הרנ"א פולימראז לאזור הקַדָּם. יחד, אלמנט זיהוי הליבה, אלמנט 10- ואלמנט 35- מתפקדים כאותות זיהוי שמכוונים את הרנ"א פולימראז לאזור הקדם. אינטראקציה בין תתי היחידות השונות לאלמנטים אלה הכרחית להתחלת התעתוק. באאוקריוטים בקרת גנים היא מורכבת יותר מאשר בחיידקים והיא משלבת עיצוב מחדש של כרומטין, גורמי תעתוק, מַעַצְמִים, משתיקים ועוד. גורמי תיעתוק אאוקריוטיים יכולים להיות באינטראקציה עם רצפי מַעַצְמִים (Enhancers), משתיקים (Silencers) ומבודדים (insulators) הנמצאים רחוק יותר מאזור הקדם המרכזי. קישורם של גורמי התעתוק לרכיב מַעֲצֵם יכול לעודד ביטוי גנים, ובמקביל, קישורם לרכיב משתיק עלול לעכב את הביטוי. בהשוואה לחיידקים, בתאים אאוקריוטיים יש יותר מאנזים רנ"א פולימראז אחד, כל אחד מהאנזימים האלה מעורב בסינתזה של תת-קבוצה של תעתיקים, אשר שונים בפונקציה, מבנה, שכיחות, ועוד. כל רנ"א פולימראז מזהה ומתעתק סוגים ספציפיים של גנים: רנ"א פולימראז I אחראי לתעתוק גנים המקודדים לרנ"א ריבוזומלי. רנ"א פולימראז II אחראי בעיקר לתעתוק גנים המקודדים לחלבונים. רנ"א פולימראז III אחראי לתעתוק גנים של רנ"א לא מקודד (non-coding RNA), רנ"א מוביל (transfer RNA) ועוד מולקולות רנ"א קטנות. רנ"א פולימראז IV ו- V נמצאים בצמחים בלבד, ואחראיים לסינתזה של siRNA (small interfering RNA). POLRMT רנ"א – פולימראז שאחראי לסינתזת רנ"א המקודד בדנ"א המיטוכונדרי. בתאים של יצורים אאוקריוטיים ישנם שלושה רכיבים מרכזיים בעלי תפקידים שונים (איור 2): ליבת הקדם (Core promoter) אזור ליבת הקַדָּם בדרך כלל משתרע על פני קטע קצר יחסית של דנ"א, בדרך כלל באורך של 50–100 זוגות בסיסים, והוא ממוקם מייד במעלה הזרם של אתר התחלת התעתוק (1+). האלמנטים העיקריים של הקדמים חיוניים לקביעת הדיוק והיעילות של תהליך התחלת התעתוק. ישנם מספר אלמנטים של ליבת הקדם הנמצאים בדרך כלל בגנים של אאוקריוטים. שלושה מהאלמנטים העיקריים הידועים ביותר של ליבת הקדם כוללים: תיבת TATA, אלמנט התחלת התיעתוק (INR) ואלמנט הזיהוי (B). תיבת TATA: היא אחת מרכיבי הקדם הידועים ביותר וממוקמת בדרך כלל סביב 25–30 זוגות בסיסים במעלה הזרם של אתר תחילת התעתוק. תיבת TATA מורכבת מרצף שמור, בדרך כלל "TATAAA" ומשמשת כאתר זיהוי עבור קומפלקס חלבונים הנקרא (TATA-Binding Protein) TBP. קומפלקס זה מהווה חלק ממכלול חלבונים גדול יותר הנוצר באזור קדם הגן לפני תחילת התעתוק והידוע בשם (pre-initiation complex) PIC. הקישור של TBP לתיבת TATA מסייע למקם את הרנ"א פולימראז II במיקום הנכון על גבי הגן לצורך התחלת התעתוק. אלמנט התחלת התיעתוק (The initiator element (INR)): הוא רכיב קדם חיוני שנמצא בדנ"א של אאוקריוטים. רכיב זה ממוקם בדרך כלל ליד אתר התחלת התעתוק ומכיל רצף שמור ומורכב לעיתים קרובות מהרצף המוסכם "YYANWYY", כאשר Y מייצג פירימידין (C או T), A מייצג אדנין, W מייצג A או T ו-N מייצג כל נוקלאוטיד. אלמנט התחלת התיעתוק מזוהה על ידי גורמי תעתוק שונים, ביניהם גורם התעתוק הכללי TFIID (Transcription factor IID), אשר מגויס על ידי האינטראקציה בין תיבת TATA לבין TBP. האינטראקציה בין TFIID לבין רכיב התחלת התיעתוק INR מסייעת לייצב PIC ולמקם במדויק את הרנ"א פולימראז II באתר תחילת התעתוק. אלמנט הזיהוי (B) (B recognition element (BRE)): הוא רכיב הנמצא בסמוך לתיבת ה-TATA ברוב הגנים באאוקריוטים. ישנם שני סוגים של רכיב הזיהוי B, אשר נמצאים באזור קדם הליבה, אחד מהם ממוקם במעלה הזרם ביחס לתיבת ה-TATA ונקרא BREu והשני ממוקם במורד הזרם ונקרא BREd, והם מתפקידים יחד עם תיבת ה-TATA. אלמנט הזיהוי B משמש כאתר עגינה עבור גורם התעתוק TFIIB (Transcription factor IIB) ובכך מסייע למקם את PIC באתר התחלת התעתוק. קדם פרוקסימלי (Proximal promoter) בהמשך מעלה הזרם של ליבת הקדם ניתן למצוא את הקדם הפרוקסימלי המכיל אלמנטים רגולטוריים רבים. הקדם הפרוקסימלי נמצא כ-250 זוגות בסיסים במעלה הזרם מאתר התחלת התעתוק (1+) והוא האתר שבו גורמי התעתוק הכלליים נקשרים. קדם דיסטלי (Distal promoter): החלק האחרון של אזור הקדם נקרא הקדם הדיסטלי, והוא נמצא במעלה הזרם ביחס לקדם הפרוקסימלי. הקדם הדיסטלי מכיל גם אתרי קישור של גורמי תעתוק. בנוסף, לאאוקריוטים יש מגוון של אזורים ואלמנטים נוספים שיכולים להיחשב כחלק מרצף הקדם, כגון DPE (downstream promoter element), תיבת ה-CAAT ותיבת ה-CG ועוד אלמנטים רגולטוריים אחרים מרוחקים יותר מאזור הקדם (איור 2). ארכיאה היא קבוצה של מיקרואורגניזמים חד-תאיים הדומים לחיידקים בהיבטים מסוימים, אך יש להם מאפיינים גנטיים וביוכימיים ייחודיים האופייניים לגידול בסביבות קיצון (מליחות גבוהה, טמפרטורה גבוהה ועוד). בעוד שארכאונים חולקים דמיון עם חיידקים, הקדמים בדנ"א של ארכאה דומים יותר לאלה שבאאוקריוטים. קדמים בארכאה חולקים את שלושת הרכיבים החיוניים להתחלת תעתוק בגנים של אאוקריוטים ואף מציגים הומולוגיה קרובה למנגנון התיעתוק שלהם. בעוד שקדמים ארכאוניים מכילים אלמנטים שמורים כגון INR, TATA Box ו- BRE (איור 3), אשר קיימים גם בקדמים של אאוקריוטים, הרצף והמבנה של אלמנטים אלה שונים בין שתי העל-ממלכות. לדוגמה, תיבת ה-TATA בקדם בארכאה נמצאת סביב 26/27- ביחס לאתר התחלת התעתוק, בעוד שבאאוקריוטים היא ממוקמת סביב 30-. יתר על כן, תהליך תחילת התעתוק בארכאה כולל הרכבה של קומפלקס PIC (pre-initiation complex), הכולל את הרנ"א פולימראז וכמה גורמי תעתוק הכוללים TBP (TATA-binding protein) ו- TFB (transcription factor B). תהליך זה דומה להרכבת קומפלקס PIC באאוקריוטים, הכולל רנ"א פולימראז II ומספר גורמי תעתוק. אולם, ישנם גם הבדלים בתהליך התחלת התעתוק בין ארכאונים ואאוקריוטים. לדוגמה, גורמי תעתוק ארכיאוניים כגון TFE ו- TFB הוכחו כבעלי דמיון מבני ופונקציונלי לגורמי תעתוק אאוקריוטיים TFIIE ו- TFIIB, בהתאמה, אך יש להם גם תכונות ייחודיות המשקפים את הביולוגיה הייחודית של ארכיאה. מדיה וקבצים בנושא קדם בוויקישיתוף קַדָּם במילון מיקרוביולוגיה (תשנ"ה), באתר האקדמיה ללשון העברית François Jacob, Jacques Monod, Genetic regulatory mechanisms in the synthesis of proteins, Journal of Molecular Biology 3, 1961-06-01, עמ' 318–356 doi: 10.1016/S0022-2836(61)80072-7 John W. Pelley, RNA Transcription and Control of Gene Expression, Elsevier, 2012, עמ' 137–147, ISBN 978-0-323-07446-9. (באנגלית) Griffiths, Wessler, S. R., Carroll, S. B., & Doebley, J. F., Introduction to genetic analysis, 2015 Akira Ishihama, Prokaryotic genome regulation: a revolutionary paradigm, Proceedings of the Japan Academy. Series B, Physical and Biological Sciences 88, 2012, עמ' 485–508 doi: 10.2183/pjab.88.485 Brian Bae, Andrey Feklistov, Agnieszka Lass-Napiorkowska, Robert Landick, Seth A Darst, Structure of a bacterial RNA polymerase holoenzyme open promoter complex, eLife 4, 2015-09-08 doi: 10.7554/eLife.08504 Catherine Sutherland, Katsuhiko S. Murakami, An Introduction to the Structure and Function of the Catalytic Core Enzyme of Escherichia coli RNA Polymerase, EcoSal Plus 8, 2018-02-08 doi: 10.1128/ecosalplus.ESP-0004-2018 Irina O. Vvedenskaya, Hanif Vahedian-Movahed, Yuanchao Zhang, Deanne M. Taylor, Richard H. Ebright, Bryce E. Nickels, Interactions between RNA polymerase and the core recognition element are a determinant of transcription start site selection, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 113, 2016-05-24, עמ' E2899–2905 doi: 10.1073/pnas.1603271113 Yu Zhang, Yu Feng, Sujoy Chatterjee, Steve Tuske, Mary X. Ho, Eddy Arnold, Richard H. Ebright, Structural basis of transcription initiation, Science (New York, N.Y.) 338, 2012-11-23, עמ' 1076–1080 doi: 10.1126/science.1227786 Andrey Feklistov, Seth A. Darst, Structural basis for promoter-10 element recognition by the bacterial RNA polymerase σ subunit, Cell 147, 2011-12-09, עמ' 1257–1269 doi: 10.1016/j.cell.2011.10.041 William J. Lane, Seth A. Darst, The structural basis for promoter -35 element recognition by the group IV sigma factors, PLoS biology 4, 2006-09, עמ' e269 doi: 10.1371/journal.pbio.0040269 Jean-Jack M. Riethoven, Regulatory regions in DNA: promoters, enhancers, silencers, and insulators, Methods in Molecular Biology (Clifton, N.J.) 674, 2010, עמ' 33–42 doi: 10.1007/978-1-60761-854-6_3 Yi Huang, Timmy Kendall, Evan S. Forsythe, Ana Dorantes-Acosta, Shaofang Li, Juan Caballero-Pérez, Xuemei Chen, Mario Arteaga-Vázquez, Mark A. Beilstein, Rebecca A. Mosher, Ancient Origin and Recent Innovations of RNA Polymerase IV and V, Molecular Biology and Evolution 32, 2015-07, עמ' 1788–1799 doi: 10.1093/molbev/msv060 Marina Barba-Aliaga, Paula Alepuz, José E. Pérez-Ortín, Eukaryotic RNA Polymerases: The Many Ways to Transcribe a Gene, Frontiers in Molecular Biosciences 8, 2021, עמ' 663209 doi: 10.3389/fmolb.2021.663209 Nguyen Quoc Khanh Le, Edward Kien Yee Yapp, N. Nagasundaram, Hui-Yuan Yeh, Classifying Promoters by Interpreting the Hidden Information of DNA Sequences via Deep Learning and Combination of Continuous FastText N-Grams, Frontiers in Bioengineering and Biotechnology 7, 2019 doi: 10.3389/fbioe.2019.00305/full Tamar Juven-Gershon, Jer-Yuan Hsu, Joshua Wm Theisen, James T. Kadonaga, The RNA polymerase II core promoter - the gateway to transcription, Current Opinion in Cell Biology 20, 2008-06, עמ' 253–259 doi: 10.1016/j.ceb.2008.03.003 Tiago Baptista, Sebastian Grünberg, Nadège Minoungou, Maria J. E. Koster, H. T. Marc Timmers, Steve Hahn, Didier Devys, László Tora, SAGA Is a General Cofactor for RNA Polymerase II Transcription, Molecular Cell 68, 2017-10-05, עמ' 130–143.e5 doi: 10.1016/j.molcel.2017.08.016 Muyu Xu, Elsie Gonzalez-Hurtado, Ernest Martinez, Core promoter-specific gene regulation: TATA box selectivity and Initiator-dependent bi-directionality of serum response factor-activated transcription, Biochimica Et Biophysica Acta 1859, 2016-04, עמ' 553–563 doi: 10.1016/j.bbagrm.2016.01.005 Latchman, D. S., Gene control, 2010 Tamar Juven-Gershon, James T. Kadonaga, Regulation of gene expression via the core promoter and the basal transcriptional machinery, Developmental Biology 339, 2010-03-15, עמ' 225–229 doi: 10.1016/j.ydbio.2009.08.009 Paul D. Ray, Rebecca C. Fry, The Cell, Elsevier, 2015, עמ' 11–42, ISBN 978-0-12-801564-3. (באנגלית) Victor V. Solovyev, Ilham A. Shahmuradov, Asaf A. Salamov, Identification of promoter regions and regulatory sites, Methods in Molecular Biology (Clifton, N.J.) 674, 2010, עמ' 57–83 doi: 10.1007/978-1-60761-854-6_5 Ananda L. Roy, Dinah S. Singer, Core promoters in transcription: old problem, new insights, Trends in Biochemical Sciences 40, 2015-03, עמ' 165–171 doi: 10.1016/j.tibs.2015.01.007 Václav Brázda, Martin Bartas, Richard P. Bowater, Evolution of Diverse Strategies for Promoter Regulation, Trends in genetics: TIG 37, 2021-08, עמ' 730–744 doi: 10.1016/j.tig.2021.04.003 W. D. Reiter, P. Palm, W. Zillig, Analysis of transcription in the archaebacterium Sulfolobus indicates that archaebacterial promoters are homologous to eukaryotic pol II promoters, Nucleic Acids Research 16, 1988-01-11, עמ' 1–19 doi: 10.1093/nar/16.1.1 J. Soppa, Transcription initiation in Archaea: facts, factors and future aspects, Molecular Microbiology 31, 1999-03, עמ' 1295–1305 doi: 10.1046/j.1365-2958.1999.01273.x