Promotor (ing. promoter)— DNK ning RNK-polimeraza tomonidan transkripsiya boshlanishi uchun “start maydoni” sifatida taniladigan nukleotidlar ketma-ketligi. Promotor transkripsiya initsiatsiyasi jarayonida asosiy rollardan birini o‘ynaydi.
Umumiy ma’lumot
Odatda promotor transkripsiya boshlanish nuqtasi — ya’ni transkript hosil bo‘ladigan birinchi nukleotid atrofida joylashadi; u +1 koordinata bilan belgilanadi (undan oldingi nukleotid –1 deb belgilanadi). Promotor odatda RNK-polimeraza tomonidan tanilishi uchun muhim bo‘lgan bir qator motivlarni o‘z ichiga oladi. Masalan, bakteriyalarda –10 va –35 elementlari, eukariotlarda TATA-quti (TATA-box).
Promotor assimmetrik bo‘lib, bu RNK-polimerazaga transkripsiyani to‘g‘ri yo‘nalishda boshlash imkonini beradi va DNK ning qaysi zanjiri RNK sintezi uchun matritsa bo‘lishini ko‘rsatadi. Matritsa zanjiri kodlamaydigan zanjir deb ataladi; ikkinchi, kodlovchi zanjir ketma-ketligi hosil bo‘lgan RNK bilan mos tushadi (faqat timin o‘rniga urasil yoziladi).
Genning qaysi promotor ostida joylashgani u genning muayyan hujayra turida ekspressiya intensivligini belgilashda hal qiluvchi ahamiyatga ega. Faolligiga ko‘ra promotorlar konstitutiv (doimiy transkripsiya darajasi) va induktsiyalanadigan (transkripsiya hujayra sharoitlariga, masalan, ma’lum moddalar borligiga yoki issiqlik shokiga bog‘liq) turlarga bo‘linadi. Promotorning faollashuvi mos transkripsion omillar (transcription factors) to‘plamining mavjudligiga bog‘liq.
Promotorlarning tuzilishi
Bakteriyalarda
Bakteriyalarning kor fermenti bo‘lgan RNK-polimeraza (α₂ββ′ω subbirliklardan iborat) nazariy jihatdan genomning istalgan joyida transkripsiyani boshlashi mumkin. Biroq hujayrada initsiatsiya faqat promotor uchastkalarida sodir bo‘ladi. Bu σ-subbirlik (σ-faktor) orqali ta’minlanadi; u kor ferment bilan birikib holofementni hosil qiladi. Escherichia coli hujayralarida asosiy σ-faktor — σ⁷⁰.
Klassik (σ⁷⁰) promotor transkripsiya boshlanish joyidan mos ravishda –10 va –35 juft asos (p.o.) yuqorida joylashgan, har biri 6 nukleotiddan iborat ikkita konservativ ketma-ketlikdan tashkil topadi; ular odatda 17 nukleotid bilan ajralgan bo‘ladi. Bu ketma-ketliklar mos ravishda –10 elementi va –35 elementi deb ataladi. Ular barcha promotorlarda aynan bir xil emas, lekin ular uchun konsensus ketma-ketliklar aniqlanadi.
Ba’zi kuchli promotorlarda –35 elementdan yuqoriroqda joylashgan va RNK-polimeraza bog‘lanishini kuchaytiradigan UP-element bo‘ladi. Ba’zi σ⁷⁰ promotorlarda –35 elementi yo‘q, biroq –10 elementi bir necha nukleotidga yuqoriga kengaygan (extended –10) bo‘ladi; bunday promotor E. coli ning galaktoza operonida kuzatiladi. Ba’zan –10 elementdan pastroqda yana bir bog‘lanish motivi — diskriminator joylashadi.
Muqobil σ-subbirliklar polimerazaning promotorni tanish spetsifikligini o‘zgartiradi. Masalan, σ³² issiqlik shokiga javob genlari promotorlarini, σ⁵⁴ esa azot metabolizmi genlarini tanitadi.
Eukariotlarda
Eukariot hujayralarda bir nechta turdagi RNK-polimerazalar mavjud. mRNK transkripsiyasini RNK-polimeraza II va unga hamroh transkripsiya omillari bajaradi.
Yadro (core) promotor — RNK-polimeraza II va initsiatsiya bosqichidagi transkripsiya omillari bog‘lanishi uchun minimal zarur ketma-ketlik elementlar to‘plami. Uning odatdagi uzunligi 40–60 p.o. bo‘lib, u transkripsiya boshlanish nuqtasining biroz yuqorisida yoki pastida bo‘lishi mumkin. Yadro promotor elementlarining to‘liq to‘plamiga BRE-element, TATA-quti, Inr (initiator) va/yoki pastda joylashgan elementlar (DPE, DCE, MTE) kiradi. Odatda promotorlarda shu elementlarning turli kombinatsiyalari uchraydi. Masalan, DPE va TATA-quti bir promotor ichida odatda birga uchramaydi. Ko‘pincha TATA-quti + DPE + Inr kombinatsiyasi kuzatiladi.
Yadro promotor elementlari (eukariot)
| Promotor elementi | Bog‘lanadigan oqsil | Koordinatalar | Konsensus ketma-ketlik |
|---|---|---|---|
| BRE-element | TFIIB | –37 … –32 | [GC][GC][GA]CGCCC |
| TATA-quti (TATA-box) | TBP | –31 … –26 | TATA[AT]A[AT] |
| Inr (initiator) | TFIID | –2 … +4 | [CT][CT]AN[TA][CT][CT] |
| DCE I | TFIID | +6 … +11 | CTTC |
| DCE II | TFIID | +16 … +21 | CTGT |
| MTE | TFIID | +21 … +28 | — |
| DPE | TFIID | +28 … +32 | [AG]G[AT]CGTG |
| DCE III | TFIID | +30 … +34 | AGC |
Eukariotlarda transkripsiya sodir bo‘lishi uchun promotor yaqinidagi regulyator ketma-ketliklar bilan ham o‘zaro ta’sir zarur: proksimal elementlar, enkhansyerlar (enhancers), saylensorlar (silencers), insulyatorlar (insulators), chegaraviy elementlar va boshqalar.
Eukariot hujayralarda RNK-polimeraza II dan tashqari yana ikki polimeraza mavjud: RNK-polimeraza I — rRNKni, RNK-polimeraza III esa tRNK va 5S RNK kabi kodlamaydigan RNKlarni transkrib qiladi.
RNK-polimeraza I eukariot hujayralarda genomda ko‘p nusxada mavjud bo‘lgan yagona rRNK prekursor genini transkrib qiladi. rRNK geni promotorida yadro elementlari (taxminan –45 … +20) va UCE — upstream control element (taxminan –150 … –100) mavjud. Initsiatsiya uchun bir nechta omillar talab etiladi: TBP, SL1 (TBP va uchta TAF oqsilidan tashkil topgan) va UBF. UBF — UCE ga, SL1 esa yadro promotoriga bog‘lanadi; UBF bog‘lanishi polimerazaning yadro promotor uchastkasiga bog‘lanishini rag‘batlantiradi.
RNK-polimeraza III hujayraning ayrim kodlamaydigan RNK genlarini (tRNK, 5S RNK) transkrib qiladi. Uning promotorlari juda turfa bo‘lib, ko‘pincha transkripsiya boshlanish nuqtasidan pastroqda joylashadi. tRNK genlari promotorlari, xususan, A-quti va B-qutini o‘z ichiga oladi; initsiatsiya uchun TFIIIB va TFIIIC kerak. Boshqa promotorlar (masalan, 5S RNK) A-quti va C-qutini o‘z ichiga olishi mumkin; ular uchun TFIIIA, TFIIIB, TFIIIC zarur. RNK-polimeraza III promotorlarining ayrim guruhlari TATA-qutiga ham ega.
Promotorlar regulyatsiyasi
Promotor regulyatsiyasi mexanizmlari hujayra murakkabligi va genom tashkilotidagi farqlar tufayli eukariotlar va prokariotlar o‘rtasida sezilarli darajada farq qiladi. Transkripsiya darajasi ko‘pincha initsiatsiya bosqichida, ya’ni RNK-polimerazaning promotorga bog‘lanishidan elongatsiya boshlanishigacha bo‘lgan davrda boshqariladi.
- RNK-polimerazaning promotor bilan bog‘lanishi uni fizik to‘sib qo‘yadigan repressor oqsil tomonidan bloklanishi mumkin.
- Polimeraza muvaffaqiyatli bog‘lanish uchun qo‘shimcha aktivator oqsiliga muhtoj bo‘lishi mumkin.
- Eukariotlarda promotor joylashgan xromatin uchastkasi kompakt qadoqlanganda (masalan, geteroxromatin) polimeraza va boshqa oqsillar uchun nondostup bo‘lishi mumkin.
Bakteriyalarda operon tarkibidagi promotor uchastkasi operator uchastkasi bilan qisman ustma-ust kelishi yoki umuman kelmasligi mumkin. Bakteriyalarda promotor bilan bog‘lanish polimerazaning σ-subbirligi bilan belgilanadi. Regulyatsiyada tez-tez regulyator oqsillar ishtirok etadi: ular jarayonni tezlashtirishi (aktivatorlar) yoki sekinlashtirishi (repressorlar) mumkin.
Eukariotlarda transkripsiya bakteriyalardagiga o‘xshash tarzda (turli regulyator oqsillar hisobiga) boshqariladi, ammo muhim farqlar ham bor. Eukariot genlari operonlar hosil qilmaydi — har bir genning o‘z promotori bor. Eukariotlarda DNK nukleosomalardan iborat xromatinga o‘ralgan; ham DNK, ham nukleosomalar turli kimyoviy modifikatsiyalarga uchrashi mumkin va bu transkripsiya darajasiga ta’sir qiladi. Shuningdek, eukariot promotorlar regulyatsiyasida enkhansyerlar, saylensorlar, insulyatorlar, chegaraviy elementlar kabi boshqa DNK uchastkalari ham ishtirok etadi.
Prokariot va eukariot promotorlarining taqqoslanishi
| Belgilar | Prokariot promotorlari | Eukariot promotorlari |
|---|---|---|
| Regulyator elementlar joylashuvi | TSS (Transkripsiya boshlanish nuqtasi) ga yaqin | TSS dan yuzlab juft asos yuqorida/pastda bo‘lishi mumkin |
| Xromatin kirish imkoni | “Yalang‘och” DNK (nukleosomasiz) | DNK nukleosomalarga o‘ralgan, xromatinni remodellashtirish talab etiladi |
| Regulyatsiya murakkabligi | Operon asosidagi nisbatan sodda regulyatsiya | Bir nechta nazorat darajalari bilan murakkab regulyatsiya |
| Struktur xususiyatlar | TSS atrofida DNK qattiqroq | TSSdan yuqorida DNK moslashuvchanroq |
Promotorlarga misollar
Turli organizmlarga mansub ko‘plab promotorlarning ketma-ketliklari va regulyatsiya xususiyatlari hozirda yaxshi o‘rganilgan. Bu bilimlar bioinjeneriya genetik konstruksiyalarini (plazmidlar, vektorlar) yaratishda keng qo‘llanadi. Bakteriya yoki eukariot hujayralarida mahsulot ekspressiyasi uchun shu guruh organizmlariga xos, genomdan olingan promotor ham, shu organizmni zararlaydigan virus promotorlari ham ishlatilishi mumkin.
Prokariotlarda regulyatsiyasi yaxshi o‘rganilgan klassik operon promotorlariga: laktoza promotori (lac), triptofan promotori (trp), arabinoza promotori (ara), GAMK (GABA) operoni, galaktoza operoni kiradi. Eukariot hujayralarda yaxshi o‘rganilgan promotorlarga GAL1 (xamirturush), tetratsiklinga induktsiyalanadigan TRE promotorlari, ekdizonga induktsiyalanadigan promotor kiradi. Virus genomlarida ham, xuddi pro- va eukariotlardagidek, promotorlar mavjud: masalan, T5 fagi promotori, T7 fagi promotori, shuningdek SV40 (polioma virusi), RSV, CMV (tsitomegalovirus) ning konstitutiv promotorlari.
Prokariotlarda laktosa operonining ishlash sxemasi. 1: RNK-polimeraza, 2: repressor, 3: promotor, 4: operator, 5: laktosa, 6: gen lacZ, 7: gen lacY, 8: gen lacA.
Yuqori rasm: lacZ, lacY, lacA ekspressiya qilinmaydi. Laktosa yo‘qligida repressor promotordan yuqoriroq joylashgan ketma-ketlik — operator bilan erkin bog‘lanadi. Natijada operatorga bog‘langan repressor transkripsiya jarayonini jismonan to‘sib qo‘yadi. Boshqacha aytganda, RNK-polimeraza promotor bilan bog‘lana olmaydi.
Quyi rasm: lacZ, lacY, lacA ekspressiya qilinadi. Laktosa repressor bilan bog‘lanadi, shu tariqa RNK-polimerazaga promotor bilan bog‘lanib, transkripsiyani boshlashga imkon beradi.
Promotor mintaqasini bashorat qilish
Promotorlarni bashorat qilish algoritmlari ko‘pincha ko‘p sonli noto‘g‘ri ijobiy natijalar beradi (ya’ni promotor emas bo‘lgan ketma-ketliklar promotor sifatida bashorat qilinadi). Masalan, o‘rtacha hisoblarga ko‘ra, turli algoritmlar har 1000 p.o. ga bir promotor bashorat qiladi, holbuki inson genomida o‘rtacha 30000—40000 p.o. ga bir gen to‘g‘ri keladi. Bunday tafovut promotorlarni bashorat qilishda bir qator omillarni hisobga olish kerakligi bilan bog‘liq:
- Promotorlarning turfa tuzilishi;
- Promotorlarning genomdagi regulyator elementlar (proksimal elementlar, enkhansyerlar, saylensorlar) bilan bog‘liqligi;
- Eukariotlarda CpG-orolchalar ta’siri (ko‘pincha metillanmagan CpG-orolchalar transkripsiya boshlanish joyidan biroz yuqorida joylashadi);
- Insulyatorlar va chegaraviy sharoitlar (xromosoma domenlari chegaralari) ta’siri;
- DNK ning qadoqlanishi va nukleosomalarning fazoviy joylashuvi.
Shunga qaramay, turli organizmlarda promotor mintaqalarini bashorat qiluvchi ko‘plab algoritmlar ishlab chiqilgan. Quyida ulardan ayrimlari keltiriladi (ro‘yxat to‘liq emas).
Promotorlarni bashorat qilish algoritmlari
| Algoritm nomi | Algoritm ishlash prinsipi | Algoritm nimani bashorat qiladi |
|---|---|---|
| TSSW | Transkripsiya boshlanishi saytlarini (TSS) funktsional motivlar va bu saytlardagi oligonukleotid tarkibini tavsiflovchi xususiyatlarni chiziqli diskriminant funksiyasi bilan birlashtirib baholaydi. TSSW TRANSFAC funksional saytlar bazasidan foydalanadi (bazaning muallifi — E. Wingender, shundan usul nomidagi oxirgi harf W olingan). | Inson Pol II promotor mintaqasi. |
| TSSG / Fprom | TSSG TSSW kabi ishlaydi, biroq TFD ma’lumotlar bazasidan foydalanadi. Fprom — TSSG ning boshqa promotor ketma-ketliklari to‘plamida qayta o‘qitilgan (trenin qilingan) varianti. | TSSG — inson Pol II promotor mintaqasi; Fprom — inson promotor mintaqasi. |
| TSSP | TSSW kabi ishlaydi, ammo o‘simlik regulyator elementlari bazasi RegSite dan foydalanadi va o‘simlik promotor mintaqalari ketma-ketliklarida o‘qitilgan. | O‘simliklar promotor mintaqasi. |
| PePPER | Promotor mintaqasini pozitsion og‘irlik matritsasi va yashirin Markov modeliga tayangan holda, –35 va –10 konsensus ketma-ketliklari hamda Bacillus subtilis va Escherichia coli uchun turli bog‘lanish saytlari asosida aniqlaydi (mos ravishda gram-musbat va gram-manfiy bakteriyalar vakillari sifatida olingan). | Prokariot (asosan bakterial genomlar) promotor mintaqasi. |
| PromoterInspector | Evristik yondashuv bo‘lib, sutemizuvchilar ketma-ketliklari to‘plamidagi promotor sohasi genom atrof-muhitiga tayanadi. | Pol II promotor mintaqasi (sutemizuvchilar). |
| BPROM | TSSW kabi ishlaydi, ammo DPInteract funksional saytlar bazasidan foydalanadi. | σ⁷⁰ promotor mintaqasi (E. coli). |
| NNPP 2.2 | Ikki funksional qatlamdan iborat kechikishli neyron tarmoq: biri TATA-qutini, biri Inr-elementni tanish uchun. | Eukariot va prokariot promotor mintaqasi. |
| G4PromFinder | AT-boy elementlar va G-kvadrupleks DNK motivlariga tayanib, GC-boy hududda ehtimoliy promotorlarni aniqlaydi. | Bakteriyalar promotor mintaqasi. |
Promotor ketma-ketliklari ma’lumotlar bazalari
Turli organizmlarda tajribaviy ko‘rsatilgan va bashorat qilingan promotor mintaqalari soni ortishi bilan promotor ketma-ketliklari uchun ma’lumotlar bazasini yaratish zarurati tug‘ildi. Eukariot (asosan umurtqali) promotor ketma-ketliklarining eng yirik bazasi — Eukaryotic Promoter Database (EPD).
Bu baza ikki qismdan iborat:
- EPD — tajribaviy ma’lumotlarni qayta ishlash orqali olingan, kuratsiya qilingan promotor ketma-ketliklari to‘plami.
- EPDnew — EPD dagi promotorlar haqidagi ma’lumotni yuqori unumdor ketma-ketlashtirish (high-throughput sequencing) usullaridan olingan ma’lumotlar tahlili bilan birlashtirish natijasi.
Yuqori unumdor transkriptom usullari yordamida ayrim o‘simlik va zamburug‘ vakillari uchun promotorlar to‘plami tuzilgan: Arabidopsis thaliana (arabidopsis), Zea mays (makkajo‘xori), Saccharomyces cerevisiae (pivo xamirturushi), Schizosaccharomyces pombe (pombe xamirturushi).
