Promotor
Obsah boxu
Šablona:Infobox Molekulární biologie Šablona:Různé významy Promotor je v genetice a molekulární biologii specifická sekvence nukleotidů v DNA, která se nachází na začátku genu. Slouží jako klíčové regulační místo, na které se váže enzym RNA polymeráza a další specializované proteiny, tzv. transkripční faktory. Tato vazba je nezbytným prvním krokem pro zahájení procesu transkripce, při kterém je genetická informace z DNA přepsána do molekuly RNA.
Promotor tedy neurčuje, jaký protein bude vytvořen (to je úkolem kódující části genu), ale řídí, zda, kdy a jak intenzivně bude daný gen přepisován. Funguje jako spínač a regulátor genové exprese, což je zásadní pro správnou funkci a specializaci buněk v organismu. Struktura a složitost promotorů se liší mezi prokaryotickými a eukaryotickými organismy.
🧬 Základní charakteristika
Promotor je úsek DNA, který se sám nepřepisuje do RNA (je to nekódující sekvence), ale jeho přítomnost a struktura jsou pro transkripci esenciální. Nachází se typicky "proti proudu" (angl. upstream) od transkripčního startu, tedy před místem, kde samotný přepis genu začíná. Toto startovací místo je označováno jako +1. Pozice nukleotidů v promotoru se proto číslují zápornými čísly (např. -10, -35).
Hlavní funkce promotoru jsou:
- Rozpoznání: Poskytuje specifické vazebné místo pro RNA polymerázu a transkripční faktory.
- Iniciace: Umožňuje lokální rozvinutí dvoušroubovice DNA, čímž se vytvoří tzv. transkripční bublina a odhalí se templátové vlákno pro syntézu RNA.
- Regulace: Míra, s jakou se RNA polymeráza váže na promotor, určuje frekvenci transkripce genu. Silné promotory vedou k časté transkripci, zatímco slabé promotory jen k občasné.
⚙️ Struktura a klíčové prvky
Struktura promotorů se zásadně liší mezi jednoduchými organismy (prokaryota) a složitějšími organismy (eukaryota).
🦠 Prokaryotické promotory
Promotory u bakterií (např. Escherichia coli) jsou relativně jednoduché. Skládají se ze dvou klíčových krátkých sekvencí, které jsou rozpoznávány specifickou podjednotkou RNA polymerázy, zvanou sigma faktor. Tyto sekvence se označují jako konsenzuální, protože jsou si u různých genů velmi podobné.
- Sekvence -35: Nachází se přibližně 35 párů bází před startem transkripce. Její konsenzuální sekvence je TTGACA. Je to první kontaktní místo pro sigma faktor.
- Sekvence -10 (Pribnowův box): Nachází se přibližně 10 párů bází před startem transkripce. Její konsenzuální sekvence je TATAAT. Tato oblast je bohatá na adenin (A) a thymin (T), které jsou spojeny pouze dvěma vodíkovými můstky, což usnadňuje rozpletení DNA dvoušroubovice.
Síla prokaryotického promotoru závisí na tom, jak moc se jeho sekvence -10 a -35 podobají ideálním konsenzuálním sekvencím a jaká je vzdálenost mezi nimi.
eukaryotic promotory
Eukaryotické promotory jsou podstatně složitější a rozmanitější. Je to dáno potřebou mnohem preciznější regulace genové exprese v mnohobuněčných organismech. Obvykle se dělí na dvě hlavní části:
- Jádrový promotor (Core Promoter):
- Nachází se v bezprostřední blízkosti transkripčního startu (+1).
- Je to minimální sekvence nutná pro vazbu základních transkripčních faktorů a RNA polymerázy II (u genů kódujících proteiny).
- Obsahuje několik typických motivů (ne všechny musí být přítomny současně):
- TATA box: Konsenzuální sekvence TATAAA, obvykle na pozici -25 až -30. Je to vazebné místo pro TATA-vazebný protein (TBP), klíčovou součást transkripčního faktoru TFIID.
- Iniciátor (Inr): Sekvence překrývající transkripční start (+1).
- BRE (TFIIB Recognition Element): Místo pro rozpoznání transkripčním faktorem TFIIB, nachází se poblíž TATA boxu.
- DPE (Downstream Promoter Element): Prvek nacházející se "po proudu" (downstream) od startu transkripce, typický pro promotory bez TATA boxu.
- Proximální promotor (Proximal Promoter):
- Nachází se dále "proti proudu" (až do -250 párů bází).
- Obsahuje vazebná místa pro specifické transkripční faktory, které modulují efektivitu transkripce.
- Mezi známé prvky patří:
Eukaryotické buňky využívají tři různé RNA polymerázy, a každá z nich rozpoznává odlišný typ promotoru:
- RNA polymeráza I: Přepisuje geny pro ribozomální RNA (rRNA).
- RNA polymeráza II: Přepisuje všechny geny kódující proteiny (do mRNA) a některé malé jaderné RNA.
- RNA polymeráza III: Přepisuje geny pro tRNA a další malé RNA.
🔬 Funkce a mechanismus
Proces iniciace transkripce na promotoru lze rozdělit do několika kroků:
1. Rozpoznání a vazba
U eukaryot se na jádrový promotor (např. na TATA box) nejprve váže komplex obecných transkripčních faktorů (např. TFIID). Tento komplex vytvoří platformu, která umožní navázání samotné RNA polymerázy. Tento celek se nazývá preiniciační komplex.
2. Tvorba otevřeného komplexu
Po navázání preiniciačního komplexu dojde k lokálnímu rozvolnění dvoušroubovice DNA v oblasti transkripčního startu. Tento krok vyžaduje energii z hydrolýzy ATP a je zprostředkován jedním z transkripčních faktorů (TFIIH), který má helikázovou aktivitu. Vzniká tzv. transkripční bublina.
3. Iniciace transkripce
RNA polymeráza začne syntetizovat krátký řetězec RNA podle templátového vlákna DNA. Po syntéze přibližně 10 nukleotidů se polymeráza uvolní z promotoru a obecných transkripčních faktorů a přechází do fáze elongace, kdy pokračuje v přepisu celého genu.
⚖️ Regulace transkripce
Promotor sám o sobě zajišťuje pouze bazální úroveň transkripce. Pro jemnou a přesnou regulaci genové exprese v reakci na signály z okolí buňky nebo v rámci buněčné diferenciace slouží další regulační sekvence a proteiny.
Enhancery a silencery
- Enhancer (zesilovač): Jsou to sekvence DNA, které mohou být od promotoru vzdáleny tisíce párů bází (i v intronech nebo za genem). Váží se na ně aktivující transkripční faktory (aktivátory), které prostřednictvím ohybu DNA interagují s preiniciačním komplexem na promotoru a výrazně zvyšují frekvenci transkripce.
- Silencer (tlumič): Fungují na podobném principu jako enhancery, ale váží se na ně represorové proteiny, které transkripci potlačují.
Transkripční faktory
Jedná se o obrovskou skupinu proteinů, které se specificky váží na regulační sekvence v DNA (včetně promotorů, enhancerů a silencerů) a tím řídí aktivitu genů. Mohou být aktivovány například hormony nebo jinými signálními molekulami.
Epigenetické modifikace
Aktivita promotoru může být také regulována epigeneticky, tedy bez změny samotné sekvence DNA.
- Metylace DNA: Navázání metylové skupiny na cytosin v promotorové oblasti (zejména v tzv. CpG ostrůvcích) obvykle vede k utlumení (umlčení) genu.
- Modifikace histonů: Změny na histonech (proteinech, kolem kterých je DNA ovinuta) mohou ovlivnit, jak "přístupný" je promotor pro transkripční mašinérii. Například acetylace histonů obvykle vede k uvolnění struktury chromatinu a aktivaci transkripce.
🧪 Význam v biotechnologiích a medicíně
Promotory jsou klíčovým nástrojem v genetickém inženýrství a biotechnologiích. Při vkládání cizího genu do organismu (např. pro produkci inzulinu v bakteriích) je nutné před tento gen umístit vhodný promotor, který zajistí jeho expresi.
- Konstitutivní promotory: Jsou stále aktivní a zajišťují nepřetržitou expresi genu (např. promotor genu pro aktin).
- Indukovatelné promotory: Lze je "zapnout" nebo "vypnout" přidáním určité látky (induktoru), což umožňuje řízenou produkci proteinu. Příkladem je promotor z lac operonu, který je aktivován laktózou.
Mutace v promotorových oblastech mohou vést k řadě onemocnění. Pokud mutace sníží afinitu promotoru k RNA polymeráze, může dojít ke snížené produkci důležitého proteinu (např. u některých forem talasémie). Naopak, pokud mutace vytvoří silnější promotor u protoonkogenu, může to vést k jeho nadměrné expresi a přispět ke vzniku nádorového bujení.
💡 Pro laiky
Představte si gen jako recept v kuchařské knize (DNA). Samotný recept obsahuje instrukce, jak uvařit jídlo (protein). Promotor je v této analogii název receptu a úvodní odstavec.
- Říká, kde recept začíná: Kuchař (RNA polymeráza) díky názvu ví, kde má začít číst.
- Určuje, jak často se bude vařit: Pokud je název napsán velkým, tučným písmem a je na začátku knihy (silný promotor), bude se jídlo vařit často. Pokud je recept zastrčený vzadu a napsaný malým písmem (slabý promotor), uvaří se jen občas.
- Může mít poznámky pro kuchaře: Další regulační prvky (jako enhancery) jsou jako poznámky typu "Vařit pouze na Vánoce!" nebo "Zdvojnásobit dávku pro hosty!". Tyto poznámky řídí, kdy a jak moc se má podle receptu vařit.
Promotor tedy nekóduje samotný protein, ale je naprosto zásadní pro řízení toho, kdy a v jakém množství bude protein v buňce vyráběn.