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10.4:

Legame cooperativo dei regolatori di trascrizione

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Biologia Molecolare
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Cooperative Binding of Transcription Regulators

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I regolatori trascrizionali sono proteine che riconoscono e si legano a brevi sequenze di DNA, note come sequenze regolatrici cis. Poiché queste sequenze sono solitamente lunghe meno di 10 nucleotidi, le probabilità che la stessa sequenza si verifichi casualmente nel genoma, sono molto alte. Molti regolatori formano una coppia di dimeri per limitare il legame a sequenze casuali.Un dimero può legare sequenze più lunghe di 10 nucleotidi, rendendo meno probabile che la sequenza sia presente casualmente nel genoma e aumentando la specificità di legame. Questi dimeri regolatori possono essere o un omodimero, costituito dagli stessi tipi di monomero, o un eterodimero con differenti tipi di monomeri. Poiché le coppie possono essere composte da monomeri diversi, le varie combinazioni permettono di legarsi a sequenze diverse senza bisogno di nuovi tipi di proteine.Quando non sono legati al DNA, i regolatori cooperativi, esistono come monomeri che a volte formano dimeri attraverso deboli interazioni non covalenti. Tuttavia, queste strutture formano dimeri strettamente associati quando legati al DNA a causa del legame cooperativo. Il legame cooperativo è un fenomeno nel quale il legame di un monomero alla sequenza cis-regolatrice, aumenta la probabilità di un secondo legame regolatore dovuto a cambiamenti strutturali.Ciò consente ad un secondo regolatore di legarsi strettamente all’altro lato del sito di rilegatura e formare un dimero con il primo. Ciò significa che la maggior parte del tempo, o tutte le istanze di specifiche sequenze cis-regolatrici hanno un legame regolatore o nessuna di esse. Per molti geni, il DNA è avvolto strettamente intorno alle proteine istoniche, impedendo ai regolatori trascrizionali, di accedere alle sequenze regolatrici-Cis Tuttavia, l’estremità del DNA legata in modo non stretto, consente un po’di spazio per il legame.Il legame di un singolo regolatore in questo sito può contribuire a srotolare la struttura, permettendo così agli altri regolatori di legarsi.

10.4:

Legame cooperativo dei regolatori di trascrizione

Transcriptional regulators bind to specific cis-regulatory sequences in the DNA to regulate gene transcription. These cis-regulatory sequences are very short, usually less than ten nucleotide pairs in length. The short length means that there is a high probability of the exact same sequence randomly occurring throughout the genome.  Since regulators can also bind to groups of similar sequences, this further increases the chances of random binding. Transcriptional regulators form dimers that bind to a sequence twice as long as a monomer binds, increasing the sequences and reducing the chances of random binding. Transcription regulator dimers can be homodimers or heterodimers. In solution, these cooperative regulators exist either as monomers or weakly linked dimers. However, when these monomers bind to an extended cis-regulatory sequence on the DNA, they form stable dimers.

Cooperativity is a phenomenon where the binding of a monomeric protein causes structural changes to the DNA and increases the regulatory sites’ affinity for other monomers. This enables the monomers to bind as dimers on the cis-regulatory sequence.  This phenomenon also helps regulators access sites located on DNA that is tightly bound to histone proteins in the nucleosome, which would otherwise be inaccessible. The first binding usually occurs at the DNA at the end of the nucleosome, where it is not tightly bound. Binding at this site leads to the DNA moving away from the histones, thereby leading to the unpacking of the nucleosome. This unpacking increases access to the other regulatory sites. In eukaryotes, transcription factor binding predominantly depends on cooperativity.  Although cooperativity can occur in some cases, most of the binding of transcriptional regulators in prokaryotes is non-cooperative. In such cases, the regulators exist as stable dimers held together by several non-covalent interactions.

Whether an unknown regulator binds cooperatively or non-cooperatively can be determined by plotting the number of occupied binding sites on the DNA against the protein concentration. If the plot is an S-shaped curve, it indicates that the regulator binds cooperatively to the binding sites.  If the curve rises steadily before leveling off as it approaches all of the binding sites being occupied, it indicates that binding is non-cooperative.

Suggested Reading

  1. Alberts et al., 6th edition; pages 375, 378-380
  2. Morgunova, E., & Taipale, J. (2017). Structural perspective of cooperative transcription factor binding. Current opinion in structural biology, 47, 1-8.