Ενεργοποιητής (γενετική)

Ένας μεταγραφικός ενεργοποιητής (activator) είναι ένας (παράγοντας μεταγραφής) πρωτεΐνης που αυξάνει τη μεταγραφή ενός γονιδίου ή ενός συνόλου γονιδίων. Οι ενεργοποιητές θεωρείται ότι έχουν θετικό έλεγχο της γονιδιακής έκφρασης, καθώς λειτουργούν για να προάγουν τη γονιδιακή μεταγραφή και, σε ορισμένες περιπτώσεις, απαιτούνται για να συμβεί η μεταγραφή των γονιδίων. Οι περισσότεροι ενεργοποιητές είναι πρωτεΐνες που δεσμεύουν DNA και συνδέονται με ενισχυτές, ή  στοιχεία γειτονικά του προαγωγέα. Η θέση DNA που δεσμεύεται από τον ενεργοποιητή αναφέρεται ως "θέση δέσμευσης ενεργοποιητή". Το τμήμα του ενεργοποιητή που κάνει αλληλεπιδράσεις πρωτεΐνης-πρωτεΐνης με τον γενικό μηχανισμό μεταγραφής αναφέρεται ως "περιοχή ενεργοποίησης", ή "πεδίο ενεργοποίησης".
Οι περισσότεροι ενεργοποιητές λειτουργούν δεσμεύοντας την ειδική αλληλουχία σε μια ρυθμιστική θέση DNA που βρίσκεται κοντά σε έναν προαγωγέας και κάνοντας αλληλεπιδράσεις πρωτεΐνης-πρωτεΐνης με τον γενικό μηχανισμό μεταγραφής (RNA πολυμεράση και γενικούς παράγοντες μεταγραφής), διευκολύνοντας έτσι τη σύνδεση του γενικού μηχανισμού μεταγραφής στον προαγωγέα. Άλλοι ενεργοποιητές βοηθούν στην προώθηση της γονιδιακής μεταγραφής ενεργοποιώντας την RNA πολυμεράση ώστε να απελευθερωθεί από τον προαγωγέα και να προχωρήσει κατά μήκος του DNA. Κάποιες φορές, η RNA πολυμεράση μπορεί να σταματήσει λίγο μετά την έξοδο από τον προαγωγέα. Οι ενεργοποιητές λειτουργούν επίσης για να επιτρέπουν σε αυτές τις σταματημένες RNA πολυμεράσες να συνεχίσουν τη μεταγραφή.
Η δραστηριότητα των ενεργοποιητών μπορεί να ρυθμιστεί. Ορισμένοι ενεργοποιητές έχουν μια αλλοστερική θέση και μπορούν να λειτουργήσουν μόνο όταν ένα συγκεκριμένο μόριο δεσμεύεται σε αυτήν την τοποθεσία, ενεργοποιώντας ουσιαστικά τον ενεργοποιητή. Οι μετα-μεταφραστικές τροποποιήσεις των ενεργοποιητών μπορούν επίσης να ρυθμίσουν τη δραστηριότητα, αυξάνοντας ή μειώνοντας τη δραστηριότητα ανάλογα με τον τύπο της τροποποίησης και τον ενεργοποιητή που τροποποιείται.
Σε ορισμένα κύτταρα, συνήθως ευκαρυώτες, πολλαπλοί ενεργοποιητές μπορούν να συνδεθούν στη θέση δέσμευσης. Αυτοί οι ενεργοποιητές τείνουν να συνδέονται συνεργατικά και να αλληλεπιδρούν συνεργειακά.
 Δομή 
Οι πρωτεΐνες ενεργοποιητή αποτελούνται από δύο κύριες περιοχές: μια περιοχή δέσμευσης DNA που δεσμεύεται σε μια ακολουθία DNA ειδική για τον ενεργοποιητή και μια περιοχή ενεργοποίησης που λειτουργεί για να αυξάνει γονιδιακή μεταγραφή μέσω αλληλεπίδρασης με άλλα μόρια. Οι περιοχές δέσμευσης DNA του ενεργοποιητή έρχονται σε μια ποικιλία διαμορφώσεων, συμπεριλαμβανομένων των έλικας-στροφή-έλικας, δάκτυλο ψευδαργύρου και φερμουάρ λευκίνης μεταξύ άλλων. Αυτές οι περιοχές δέσμευσης DNA είναι ειδικές για μια συγκεκριμένη αλληλουχία DNA, επιτρέποντας στους ενεργοποιητές να ενεργοποιούν μόνο ορισμένα γονίδια. Οι τομείς ενεργοποίησης διατίθενται επίσης σε μια ποικιλία τύπων που κατηγοριοποιούνται με βάση την αλληλουχία αμινοξέων της περιοχής, συμπεριλαμβανομένων των περιοχών πλούσιων σε αλανίνηκαι γλουταμίνη καθώς και όξινες περιοχές. Αυτές οι περιοχές δεν είναι τόσο συγκεκριμένες και τείνουν να αλληλεπιδρούν με μια ποικιλία μορίων-στόχων.
Οι ενεργοποιητές μπορούν επίσης να έχουν αλλοστερικές θέσεις  που είναι υπεύθυνες για την ενεργοποίηση και απενεργοποίηση των ίδιων των ενεργοποιητών.
 Μηχανισμός δράσης 
 Δέσμευση ενεργοποιητή σε ρυθμιστικές αλληλουχίες 
Μέσα στις αυλακώσεις της διπλής έλικας του DNA, εκτίθενται χαρακτηριστικές ομάδες των ζευγών βάσεων. Η αλληλουχία του DNA δημιουργεί έτσι ένα μοναδικό μοτίβο επιφανειακών χαρακτηριστικών, συμπεριλαμβανομένων περιοχών πιθανών δεσμών υδρογόνου, ετεροπολικών δεσμών, καθώς και υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις. Οι ενεργοποιητές έχουν επίσης μοναδικές αλληλουχίες αμινοξέων με πλευρικές αλυσίδες που είναι σε θέση να αλληλεπιδρούν με τις χαρακτηριστικές ομάδες στο DNA. Έτσι, το μοτίβο των πλευρικών αλυσίδων των αμινοξέων που συνθέτουν μια πρωτεΐνη ενεργοποιητή θα είναι συμπληρωματικό με τα επιφανειακά χαρακτηριστικά της συγκεκριμένης ρυθμιστικής αλληλουχίας DNA με την οποία σχεδιάστηκε να συνδέεται. Οι συμπληρωματικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των αμινοξέων της πρωτεΐνης ενεργοποιητή και των χαρακτηριστικών ομάδων του DNA δημιουργούν μια ειδικότητα "ακριβούς προσαρμογής" μεταξύ του ενεργοποιητή και της ρυθμιστικής αλληλουχίας DNA του.
Οι περισσότεροι ενεργοποιητές συνδέονται με τις κύριες αυλακώσεις της διπλής έλικας, καθώς αυτές οι περιοχές τείνουν να είναι ευρύτερες, αλλά υπάρχουν μερικοί που θα δεσμευτούν στις δευτερεύουσες αυλακώσεις.
Οι θέσεις δέσμευσης του ενεργοποιητή μπορεί να βρίσκονται πολύ κοντά στον προαγωγέα ή πολλά ζεύγη βάσεων μακριά. Εάν η ρυθμιστική αλληλουχία βρίσκεται μακριά, το DNA θα κάνει βρόχο πάνω από τον εαυτό του (βρόχος DNA) προκειμένου ο δεσμευμένος ενεργοποιητής να αλληλεπιδράσει με τον μηχανισμό μεταγραφής στη θέση του προαγωγέα.
Στους προκαρυώτες, πολλά γονίδια μπορούν να μεταγραφούν μαζί (οπερόνιο), και έτσι ελέγχονται με την ίδια ρυθμιστική αλληλουχία. Στους ευκαρυώτες, τα γονίδια τείνουν να μεταγράφονται μεμονωμένα και κάθε γονίδιο ελέγχεται από τις δικές του ρυθμιστικές αλληλουχίες. Οι ρυθμιστικές αλληλουχίες όπου δεσμεύονται οι ενεργοποιητές βρίσκονται συνήθως ανάντη από τον προαγωγέα, αλλά μπορούν επίσης να βρεθούν κατάντη ή ακόμη και εντός των εωνίων σε ευκαρυώτες.
 Λειτουργίες για την αύξηση της γονιδιακής μεταγραφής 
Η δέσμευση του ενεργοποιητή στη ρυθμιστική του αλληλουχία προάγει τη γονιδιακή μεταγραφή ενεργοποιώντας τη δραστηριότητα της RNA πολυμεράσης. Αυτό γίνεται μέσω διαφόρων μηχανισμών, όπως η στρατολόγηση μηχανησμών μεταγραφής στον προαγωγέα και η ενεργοποίηση της RNA πολυμεράσης για να συνεχίσει να επιμηκύνεται.
 Πρόσληψη 
Τα ελεγχόμενα από ενεργοποιητές γονίδια απαιτούν τη δέσμευση των ενεργοποιητών σε ρυθμιστικές θέσεις προκειμένου να προσληφθεί ο απαραίτητος μηχανισμός μεταγραφής στην περιοχή του προαγωγέα.
Οι αλληλεπιδράσεις ενεργοποιητή με την RNA πολυμεράση είναι ως επί το πλείστον άμεσες στους προκαρυώτες και έμμεσες στους ευκαρυώτες. Στους προκαρυώτες, οι ενεργοποιητές τείνουν να έρχονται σε επαφή με την RNA πολυμεράση απευθείας για να βοηθήσουν στη δέσμευσή της στον προαγωγέα. Στους ευκαρυώτες, οι ενεργοποιητές αλληλεπιδρούν κυρίως με άλλες πρωτεΐνες και αυτές οι πρωτεΐνες θα είναι αυτές που θα αλληλεπιδράσουν με την RNA πολυμεράση.
 Προκαρυώτες 
Στους προκαρυώτες, τα γονίδια που ελέγχονται από ενεργοποιητές έχουν προαγωγείς που δεν μπορούν να συνδεθούν ισχυρά με την RNA πολυμεράση από μόνα τους. Έτσι, οι πρωτεΐνες των ενεργοποιητών βοηθούν στην προώθηση της δέσμευσης της RNA πολυμεράσης στον προαγωγέα. Αυτό γίνεται με διάφορους μηχανισμούς. Οι ενεργοποιητές μπορεί να λυγίζουν το DNA για να εκθέσουν καλύτερα τον προαγωγέα, έτσι ώστε η RNA πολυμεράση να μπορεί να συνδεθεί πιο αποτελεσματικά. Οι ενεργοποιητές μπορεί να έρθουν σε άμεση επαφή με την RNA πολυμεράση και να την ασφαλίσουν στον προαγωγέα.
 Ευκαριώτες 
Στους ευκαρυώτες, οι ενεργοποιητές έχουν μια ποικιλία διαφορετικών μορίων-στόχων που μπορούν να προσλάβουν προκειμένου να προωθήσουν τη γονιδιακή μεταγραφή. Μπορούν να προσλάβουν άλλους μεταγραφικούς παράγοντες και συμπαράγοντες που απαιτούνται για την έναρξη της μεταγραφής.
Οι ενεργοποιητές μπορούν να προσλάβουν μόρια γνωστά ως συνενεργοποιητές. Αυτά τα μόρια συνενεργοποιητών μπορούν στη συνέχεια να εκτελέσουν τις απαραίτητες λειτουργίες για την έναρξη της μεταγραφής στη θέση τους των ίδιων των ενεργοποιητών, όπως τροποποιήσεις χρωματίνης.
Το DNA είναι πολύ πιο συμπυκνωμένο στους ευκαρυώτες. Έτσι, οι ενεργοποιητές τείνουν να προσλαμβάνουν πρωτεΐνες που είναι σε θέση να αναδομήσουν τη χρωματίνη, έτσι ώστε ο προαγωγέας να είναι πιο εύκολα προσβάσιμος από τον μηχανισμό μεταγραφής. Ορισμένες πρωτεΐνες θα αναδιατάξουν η διάταξη των νουκλεοσωμάτων κατά μήκος του DNA προκειμένου να εκτεθεί η θέση προαγωγέα σε σύμπλοκα αναδιαμόρφωσης χρωματίνης που εξαρτώνται από ΑΤΡ. Άλλες πρωτεΐνες επηρεάζουν τη σύνδεση μεταξύ ιστονών και DNA μέσω μετα-μεταφραστικών τροποποιήσεων ιστόνης, επιτρέποντας στο DNA που είναι σφιχτά τυλιγμένο στα νουκλεοσώματα να χαλαρώσει. 
Όλα αυτά τα προσλαμβανόμενα μόρια συνεργάζονται για να προσλάβουν τελικά την RNA πολυμεράση στη θέση του προαγωγέα.

 Απελευθέρωση της RNA πολυμεράσης 
Οι ενεργοποιητές μπορούν να προάγουν τη γονιδιακή μεταγραφή σηματοδοτώντας την RNA πολυμεράση για να κινηθεί πέρα από τον προαγωγέα και να προχωρήσει κατά μήκος του DNA, ξεκινώντας την έναρξη της μεταγραφής. Η RNA πολυμεράση μερικές φορές μπορεί να σταματήσει λίγο μετά την έναρξη της μεταγραφής και απαιτούνται οι ενεργοποιητές για την απελευθέρωση της RNA πολυμεράσης από αυτήν την κατάσταση "στάσης". Υπάρχουν πολλοί μηχανισμοί για την απελευθέρωση αυτών των σταματημένων πολυμερασών RNA. Οι ενεργοποιητές μπορεί να λειτουργούν απλώς ως σήμα για να ενεργοποιήσουν τη συνεχή κίνηση της RNA πολυμεράσης. Εάν το DNA είναι πολύ συμπυκνωμένο για να επιτρέψει στη RNA πολυμεράση να συνεχίσει τη μεταγραφή, οι ενεργοποιητές μπορεί να προσλάβουν πρωτεΐνες που μπορούν να αναδομήσουν το DNA έτσι ώστε τυχόν μπλοκ αφαιρούνται. Οι ενεργοποιητές μπορεί επίσης να προάγουν τη πρόσληψη παραγόντων επιμήκυνσης, οι οποίοι είναι απαραίτητοι για τη συνέχιση της μεταγραφής της RNA πολυμεράσης. =":0"/>
 Ρύθμιση των ενεργοποιητών 
Υπάρχουν διάφοροι τρόποι με τους οποίους μπορεί να ρυθμιστεί η δραστηριότητα των ίδιων των ενεργοποιητών, προκειμένου να διασφαλιστεί ότι οι ενεργοποιητές διεγείρουν τη γονιδιακή μεταγραφή σε κατάλληλους χρόνους και επίπεδα. Η δραστηριότητα του ενεργοποιητή μπορεί να αυξηθεί ή να μειωθεί ως απόκριση σε περιβαλλοντικά ερεθίσματα, ή άλλα ενδοκυτταρικά σήματα.
 Ενεργοποίηση πρωτεϊνών ενεργοποιητών 
Οι ενεργοποιητές πρέπει συχνά να "ενεργοποιούνται" για να μπορέσουν να προωθήσουν τη μεταγραφή των γονιδίων. Η δραστηριότητα των ενεργοποιητών ελέγχεται από την ικανότητα του ενεργοποιητή να συνδέεται με τη ρυθμιστική του θέση κατά μήκος του DNA. Η περιοχή δέσμευσης του DNA του ενεργοποιητή έχει μια ενεργή και μια ανενεργή μορφή, οι οποίες ελέγχονται από τη σύνδεση μορίων γνωστών ως αλλοστερικοί τελεστές στην αλλοστερική θέση του ενεργοποιητή.
Οι ενεργοποιητές στην ανενεργή τους μορφή δεν συνδέονται με κανέναν αλλοστερικό τελεστή. Όταν είναι ανενεργός, ο ενεργοποιητής δεν μπορεί να συνδεθεί με την ειδική του ρυθμιστική αλληλουχία στο DNA και επομένως δεν έχει ρυθμιστική επίδραση στη μεταγραφή των γονιδίων.
Όταν ένας αλλοστερικός τελεστής δεσμεύεται στην αλλοστερική θέση ενός ενεργοποιητή, λαμβάνει χώρα μια διαμορφωτική αλλαγή στην περιοχή δέσμευσης του DNA, η οποία επιτρέπει στην πρωτεΐνη να συνδεθεί με το DNA και να αυξήσει τη γονιδιακή μεταγραφή.
 Μετα-μεταφραστικές τροποποιήσεις 
Ορισμένοι ενεργοποιητές μπορούν να υποστούν μετα-μεταφραστικές τροποποιήσεις που έχουν επίδραση στη δραστηριότητά τους εντός ενός κυττάρου. Διαδικασίες όπως φωσφορυλίωση, ακετυλίωση , και ουβικιτονοποίηση, μεταξύ άλλων, έχουν παρατηρηθεί ότι ρυθμίζουν τη δραστηριότητα των ενεργοποιητών. Ανάλογα με τη χημική ομάδα που προστίθεται, καθώς και τη φύση του ίδιου του ενεργοποιητή, οι μετα-μεταφραστικές τροποποιήσεις μπορούν είτε να αυξήσουν, είτε να μειώσουν τη δραστηριότητα ενός ενεργοποιητή. Για παράδειγμα, η ακετυλίωση έχει φανεί ότι αυξάνει τη δραστηριότητα ορισμένων ενεργοποιητών μέσω μηχανισμών όπως η αύξηση της συγγένειας δέσμευσης του DNA. Από την άλλη πλευρά, η ουβικιτινοποίηση μειώνει τη δραστηριότητα των ενεργοποιητών, καθώς η ουβικιτίνη επισημαίνει την αποικοδόμηση των πρωτεϊνών αφού εκτελέσουν τις αντίστοιχες λειτουργίες τους.
 Συνέργεια 
Στους προκαρυώτες, μία μόνο πρωτεΐνη ενεργοποιητή είναι σε θέση να προάγει τη μεταγραφή. Στους ευκαρυώτες, συνήθως περισσότεροι από ένας ενεργοποιητές συγκεντρώνονται στη θέση δέσμευσης, σχηματίζοντας ένα σύμπλεγμα που δρα για να προάγει τη μεταγραφή. Αυτοί οι ενεργοποιητές δεσμεύουν συνεργατικά στη θέση δέσμευσης, πράγμα που σημαίνει ότι η σύνδεση ενός ενεργοποιητή αυξάνει τη συγγένεια της τοποθεσίας να δεσμεύει έναν άλλο ενεργοποιητή (ή σε ορισμένες περιπτώσεις έναν άλλο μεταγραφικό ρυθμιστή) καθιστώντας έτσι ευκολότερο για πολλούς ενεργοποιητές να δεσμευτούν στη θέση. Σε αυτές τις περιπτώσεις, οι ενεργοποιητές αλληλεπιδρούν μεταξύ τους συνεργατικά, που σημαίνει ότι ο ρυθμός μεταγραφής που επιτυγχάνεται από πολλαπλούς ενεργοποιητές που συνεργάζονται είναι πολύ υψηλότερος από τα αθροιστικά αποτελέσματα των ενεργοποιητών εάν λειτουργούσαν μεμονωμένα.
Παραδείγματα
 Ρύθμιση του καταβολισμού της μαλτόζης 
Η διάσπαση της μαλτόζης στην Εσερίχια κόλι ελέγχεται από την ενεργοποίηση γονιδίων. Τα γονίδια που κωδικοποιούν τα ένζυμα που είναι υπεύθυνα για τον καταβολισμό της μαλτόζης μπορούν μόνο να μεταγραφούν παρουσία ενός ενεργοποιητή.Ο ενεργοποιητής που ελέγχει τη μεταγραφή των ενζύμων μαλτόζης είναι "ανενεργός" απουσία μαλτόζης. Στην ανενεργή του μορφή , ο ενεργοποιητής δεν μπορεί να συνδεθεί με το DNA και να προωθήσει τη μεταγραφή των γονιδίων της μαλτόζης.
Όταν υπάρχει μαλτόζη στο κύτταρο, δεσμεύεται στην αλλοστερική θέση της πρωτεΐνης του ενεργοποιητή, προκαλώντας μια διαμορφωτική αλλαγή στην περιοχή δέσμευσης του DNA του ενεργοποιητή. Αυτή η διαμορφωτική αλλαγή "ενεργοποιεί" τον ενεργοποιητή επιτρέποντάς του να συνδεθεί με τη συγκεκριμένη ρυθμιστική αλληλουχία DNA του. Η σύνδεση του ενεργοποιητή με τη ρυθμιστική θέση του προάγει τη δέσμευση της RNA πολυμεράσης στον προαγωγέα και συνεπώς τη μεταγραφή, παράγοντας τα ένζυμα που απαιτούνται για τη διάσπαση της μαλτόζης που έχει εισέλθει στο κύτταρο.
 Ρύθμιση του οπερονίου lac 
Η πρωτεΐνη ενεργοποιητή καταβολίτη (catabolite activator protein, CAP), αλλιώς γνωστή ως πρωτεΐνη υποδοχέας του cAMP (cAMP receptor protein, CRP), ενεργοποιεί τη μεταγραφή στο οπερόνιο lacτου βακτηρίου εσερίχια κόλι. Η κυκλική μονοφωσφορική αδενοσίνη (Cyclic adenosine monophosphate, cAMP) παράγεται κατά τη διάρκεια της πείνας γλυκόζης. Αυτό το μόριο δρα ως αλλοστερικός τελεστής που συνδέεται με το CAP και προκαλεί μια διαμορφωτική αλλαγή που επιτρέπει στο CAP να δεσμευτεί σε μια θέση DNA που βρίσκεται δίπλα στον προαγωγέα lac. Στη συνέχεια, το CAP πραγματοποιεί μια άμεση αλληλεπίδραση πρωτεΐνης-πρωτεΐνης με την RNA πολυμεράση που προσλαμβάνει την RNA πολυμεράση στον προαγωγέα lac.
Παραπομπές

Κατηγορία:Παράγοντες μεταγραφής