Promotor (ingl. promoter) — nukleotidlardan tuzilgan DNK qismi bo‘lib, RNK-polimeraza tomonidan transkripsiyani boshlash uchun boshlang‘ich maydon sifatida tanib olinadi. Promotor transkripsiyaning boshlanishida asosiy rollardan birini bajaradi.
Umumiy maʼlumotlar
Odatda, promotor transkripsiya boshlanadigan nuqta — transkript hosil bo‘lishi boshlanadigan, koordinatasi +1 bo‘lgan birinchi nukleotid atrofiga joylashadi (undan oldingi nukleotid -1 deb belgilanadi). Promotor odatda RNK-polimeraza uni tanib olishi uchun muhim bo‘lgan bir qancha motivlarni o‘z ichiga oladi; ular RNK-polimerazaga promotorni tanib olishda yordam beradi. Masalan, -10 va -35 elementlar bakteriyalarda, TATA-boks esa eukariotlarda uchraydi.
Promotor asimmetrik bo‘lib, bu RNK-polimerazaga transkripsiyani to‘g‘ri yo‘nalishda boshlash imkonini beradi va DNKning ikki zanjiridan qaysi biri RNK sintezi uchun matritsa vazifasini bajarishini ko‘rsatadi. DNKning matritsa zanjiri kodlamaydigan zanjir deyiladi, ikkinchi — kodlovchi zanjirning ketma-ketligi esa hosil bo‘lgan RNKnikiga mos keladi (faqat timinning uratsilga almashishi bundan mustasno).
DNKdagi RNKni kodlovchi qismning qaysi promotor nazoratida bo‘lishi har bir muayyan hujayra turida ekspressiyaga, yaʼni genning faollik darajasiga hal qiluvchi taʼsir ko‘rsatadi. Faolligiga ko‘ra promotorlar konstitutiv (transkripsiya darajasi doimiy) va induksiyalanuvchi (transkripsiya hujayradagi sharoitlarga, masalan, ayrim moddalar mavjudligi yoki issiqlik shokiga bog‘liq) turlarga bo‘linadi. Promotorning faollashuvi maʼlum transkripsiya omillari mavjudligiga bog‘liq.
Promotorlarning tuzilishi
Bakteriyalarda
Yadro RNK-polimerazasi bakteriyalarda (α2ββ'ω subbirliklaridan tashkil topgan) genomning istalgan joyida transkripsiyani boshlashi mumkin. Biroq hujayrada transkripsiya faqat promotor qismlarida boshlanadi. Bunday o‘ziga xoslik σ-subbirligi (σ-omil) hisobiga taʼminlanadi; u asosiy ferment bilan kompleks hosil qilib, xolofermentni vujudga keltiradi. Escherichia coli hujayralaridagi asosiy σ-omil σ70-subbirligidir.
Klassik (σ70) promotor transkripsiya boshlanish nuqtasidan oldinda, 10 va 35 juft asos masofada joylashgan, har biri 6 nukleotiddan iborat ikkita konservativ ketma-ketlikdan tashkil topgan; ular orasida 17 ta nukleotid bor. Bu ketma-ketliklar mos ravishda -10 va -35 elementlari deb ataladi. Elementlar barcha promotorlarda aynan bir xil bo‘lmasa-da, ular uchun konsensus ketma-ketliklarni aniqlash mumkin.
Baʼzi kuchli promotorlarda, shuningdek, UP-element mavjud bo‘lib, u -35 elementidan oldinda joylashadi va RNK-polimerazaning bog‘lanishini kuchaytiradi. Ayrim σ70 promotorlarida -35 elementi bo‘lmaydi, ammo yuqori tomonga bir necha nukleotidga uzaygan -10 elementi bo‘ladi (kengaytirilgan -10). Masalan, galaktoza operoni E. colida shunday promotorga ega. Baʼzan -10 elementidan keyinda qo‘shimcha bog‘lanish elementi — diskriminator ham uchraydi.
Muqobil σ-subbirliklari RNK-polimerazaning promotorlarni tanib olish xususiyatini o‘zgartiradi. Masalan, σ32-subbirligi issiqlik shokiga javob beruvchi genlar promotorlarini tanib olishni taʼminlaydi, σ54 esa azot almashinuvi genlari bilan bog‘liq.
Eukariotlarda
Eukariot hujayralarida RNK-polimerazaning bir necha turi mavjud. mRNK transkripsiyasini RNK-polimeraza II va bir qator oqsil tabiatli transkripsiya omillari birgalikda amalga oshiradi.
Eukariotlarning asosiy (yadro) promotori — RNK-polimeraza II va transkripsiya boshlanishida ishtirok etuvchi transkripsiya omillari bog‘lanishi uchun zarur bo‘lgan ketma-ketlik elementlarining eng kichik to‘plamidir. Odatda, asosiy promotor uzunligi 40–60 juft asosni tashkil etadi va transkripsiya boshlanish nuqtasidan oldinda yoki keyinda joylashishi mumkin. Asosiy promotor elementlarining to‘liq to‘plamiga BRE-element, TATA-boks, Inr (initsiator) va/yoki boshlanish nuqtasidan keyingi elementlar (DPE, DCE va MTE) kiradi. Odatda promotorda ushbu elementlarning muayyan birikmasi uchraydi. Masalan, DPE va TATA-boks odatda bitta promotorda birga uchramaydi. TATA-boks, DPE va Inr birikmasi ko‘p uchraydi.
| Promotor elementi | Bog‘lanadigan oqsil | Koordinatalar | Konsensus ketma-ketlik |
|---|---|---|---|
| BRE-element | TFIIB | -37 -32 | [GC][GC][GA]CGCCC |
| TATA-boks | TBP | -31 -26 | TATA[AT]A[AT] |
| Inr | TFIID | -2 +4 | [CT][CT]AN[TA][CT][CT] |
| DCEI | TFIID | +6 +11 | CTTC |
| DCEII | TFIID | +16 +21 | CTGT |
| MTE | TFIID | +21 +28 | |
| DPE | TFIID | +28 +32 | [AG]G[AT]CGTG |
| DCEIII | TFIID | +30 +34 | AGC |
Shuningdek, eukariotlarda transkripsiya amalga oshishi uchun transkripsiya boshlanish nuqtasiga nisbatan maʼlum masofalarda joylashgan regulyator ketma-ketliklar — proksimal ketma-ketliklar, enxanserlar, saylenserlar, insulyatorlar va chegara elementlari bilan o‘zaro taʼsirlashish zarur.
Eukariot hujayralarida RNK-polimeraza II dan tashqari yana ikki tur mavjud: rRNKni transkripsiya qiluvchi (RNK-polimeraza I) hamda ayrim kodlamaydigan RNKlar, masalan, tRNK va 5S rRNKni transkripsiya qiluvchi (RNK-polimeraza III).
Eukariot hujayralarida RNK-polimeraza I rRNKning yagona prekursor genini transkripsiya qiladi; bu gen genomda ko‘plab nusxalarda uchraydi. rRNK geni promotori asosiy elementlar (koordinatalari taxminan -45 dan +20 gacha) va UCE (yuqori tomondagi boshqaruvchi element (upstream control element), koordinatalari taxminan -150 dan -100 gacha)ni o‘z ichiga oladi. Ushbu gen transkripsiyasining boshlanishi uchun TBP, SL1 (TBP oqsili va uchta TAF oqsilidan tuzilgan) hamda UBF kabi bir necha transkripsiya omili ham zarur. UBF UCE-elementga, SF1 esa asosiy promotorga bog‘lanadi. Bog‘langan UBF polimerazaning asosiy promotor qismiga bog‘lanishini rag‘batlantiradi.
RNK-polimeraza III hujayradagi ayrim kodlamaydigan RNKlarning genlarini (tRNK, 5S rRNK) transkripsiya qiladi. RNK-polimeraza III promotorlari juda xilma-xil bo‘lib, ko‘pincha transkripsiya boshlanish nuqtasidan keyinda joylashadi. Xususan, tRNK genlari promotorlarida A- va B-bokslar mavjud; transkripsiyani boshlash uchun TFIIIB va TFIIIC omillari zarur. Boshqa promotorlarda A- va C-bokslar (masalan, 5S rRNK) bo‘lishi mumkin, bunda TFIIIA, TFIIIB va TFIIIC transkripsiya omillari talab etiladi. RNK-polimeraza III promotorlarining bir guruhida TATA-bokslar ham mavjud.
Promotorlarning boshqarilishi
Hujayralarning murakkabligi va genom tuzilishidagi tafovutlar tufayli eukariotlar bilan prokariotlarda promotor faoliyatini boshqarish mexanizmlari sezilarli farq qiladi. Transkripsiya darajasi ko‘pincha boshlanish bosqichida, yaʼni RNK-polimerazaning promotorga bog‘lanishidan elongatsiya boshlanishigacha bo‘lgan jarayonda tartibga solinadi.
- RNK-polimerazaning promotorga bog‘lanishi promotorni yoki uning bir qismini jismonan to‘sib qo‘yadigan repressor oqsil tomonidan bloklanishi mumkin;
- Polimerazaning muvaffaqiyatli bog‘lanishi uchun qo‘shimcha aktivator oqsil talab etilishi mumkin;
- Promotor joylashgan xromatin qismi zich o‘ralganida, masalan, eukariotlardagi geteroxromatin holatida, oqsillar, shu jumladan polimeraza uchun yetib bo‘lmas bo‘lib qolishi mumkin.
Bakteriyalarda operon tarkibidagi promotor qismi operator qismi bilan qisman ustma-ust tushishi yoki umuman tushmasligi mumkin; bunda operator qismi sistron (gen)ga tegishli. Bakteriyalarda RNK-polimerazaning promotorga bog‘lanishi polimerazaning tarkibiy qismi — σ-subbirlik bilan belgilanadi. Bu jarayonni boshqarishda tezlik va samaradorlikni oshiruvchi aktivator oqsillar yoki jarayonni sekinlashtiruvchi repressor oqsillar ham ko‘pincha ishtirok etadi.
Transkripsiya eukariotlarda bakteriyalardagiga o‘xshash tarzda (turli regulyator oqsillar yordamida) boshqariladi, ammo ayrim farqlari ham bor. Eukariotlar genlari operonlar hosil qilmaydi; har bir genning o‘z promotori mavjud. Eukariotlarda DNK va nukleosomalardan tashkil topgan xromatin bor. DNK ham, nukleosomalar ham transkripsiya darajasiga taʼsir etuvchi kimyoviy o‘zgarishlarga uchrashi mumkin. Shuningdek, eukariotlarda promotorlarni boshqarishda enxanserlar, saylenserlar, insulyatorlar va chegara elementlari kabi DNKning boshqa qismlari ham ishtirok etadi.
| Belgi | Prokariotlar promotorlari | Eukariotlar promotorlari |
|---|---|---|
| Regulyator elementning joylashuvi | TSSga yaqin | Transkripsiya yo‘nalishi bo‘yicha yuqori yoki quyi tomonda yuzlab juft asos masofada bo‘lishi mumkin |
| Xromatinga kirish imkoniyati | Nukleosomalarsiz («yalang‘och») DNK | DNK nukleosomalarga o‘ralgan, xromatinni qayta tuzish talab etiladi |
| Boshqarilish murakkabligi | Operonga asoslangan sodda boshqaruv | Bir nechta nazorat pog‘onasiga ega murakkab boshqaruv |
| Tuzilish xususiyatlari | TSS atrofida DNK nisbatan qattiq | TSSdan yuqori tomondagi DNK nisbatan «egiluvchan» |
Promotorlarga misollar
Yuqoridagi rasm: lacZ, lacY, lacA ekspressiyalanmaydi. laktoza mavjud bo‘lmaganda, repressor promotordan yuqorida joylashgan ketma-ketlik — operatorga erkin bog‘lanadi. Shu tariqa operatorga bog‘langan repressor transkripsiyaning kechishini jismonan to‘sadi. Boshqacha aytganda, RNK-polimeraza promotorga bog‘lana olmaydi.
Quyidagi rasm: lacZ, lacY, lacA ekspressiyalanadi. Laktoza repressorga bog‘lanib, RNK-polimerazaning promotorga bog‘lanishi va transkripsiyani boshlashiga imkon beradi.
Hozir turli tirik organizmlardagi ko‘plab promotorlarning ketma-ketliklari va boshqarilish xususiyatlari yaxshi o‘rganilgan. Bu bilimlardan biomuhandislik genetik konstruksiyalari (plazmidlar, vektorlar) yaratishda keng foydalaniladi. Bakteriya yoki eukariot hujayralarida maʼlum mahsulot ekspressiyasini taʼminlash uchun shu organizmlar guruhiga xos, genomdan topilgan promotor yoki, masalan, ushbu organizmni zararlovchi viruslardan olingan promotor ishlatilishi mumkin.
Prokariot promotorlari faoliyatining boshqarilishi yaxshi maʼlum bo‘lgan bakterial operonlarga quyidagilar klassik misol bo‘ladi: laktoza promotori, triptofan promotori, arabinoza promotori, GAMK-operon , galaktoza operoni. Eukariot hujayralaridagi yaxshi o‘rganilgan promotorlarga achitqilardagi GAL1 promotori, induksiyalanuvchi tetratsiklin promotori TRE hamda induksiyalanuvchi ekdizon promotori kiradi. Prokariot va eukariotlar genomlaridagi kabi viruslar genomida ham promotorlar mavjud. Masalan, T5 fagi promotori, T7 fagi promotori hamda SV40 (polioma virusi), RSV va CMV (sitomegalovirus) viruslarining konstitutiv promotorlari.
Promotor sohasini bashorat qilish
Promotorlarni bashorat qiluvchi algoritmlar ko‘pincha ko‘plab noto‘g‘ri ijobiy natijalar beradi (aslida promotor bo‘lmagan ketma-ketliklarni promotor sifatida aniqlaydi). Masalan, turli algoritmlar o‘rtacha har 1000 juft asosga bitta promotorni bashorat qiladi, inson genomida esa taxminan har 30000—40000 juft asosga bitta gen to‘g‘ri keladi. Bunday holat promotorlarni bashorat qilishda ko‘plab omillarni hisobga olish zarurligi bilan bog‘liq:
- Promotorlar tuzilishining xilma-xilligi;
- Promotorlarning genomdagi regulyator elementlar (proksimal elementlar, enxanserlar, saylenserlar) bilan bog‘liqligi;
- Eukariotlarda CpG-orolchalarning taʼsiri (metillanmagan CpG-orolchalar ko‘pincha eukariotlarda transkripsiya boshlanish nuqtasidan biroz yuqorida joylashadi);
- Insulyatorlar va chegara sharoitlarining (xromosoma domenlari chegaralarining) taʼsiri;
- DNKning fazoviy o‘ralishi va nukleosomalarning joylashuvi.
Yuqorida keltirilgan murakkabliklarga qaramay, turli organizmlarda promotor sohalarini bashorat qilish uchun ko‘plab algoritmlar mavjud. Quyidagi jadvalda ulardan ayrimlari keltirilgan.
| Algoritm nomi | Algoritmning ishlash prinsipi | Algoritm nimani bashorat qiladi |
|---|---|---|
| TSSW | Algoritm transkripsiya boshlanishining ehtimoliy nuqtalarini funksional motivlar va ushbu nuqtalarning oligonukleotid tarkibini tavsiflovchi xususiyatlarni birlashtiruvchi chiziqli diskriminant funksiya yordamida bashorat qiladi. TSSW funksional sohalar haqidagi TRANSFAC maʼlumotlar bazasidan foydalanadi (baza muallifi — E. Vingender; TSSW nomidagi so‘nggi harf shundan kelib chiqqan). | Insondagi PolII promotor sohasi. |
| TSSG/Fprom | TSSG algoritmi TSSW bilan bir xil ishlaydi, biroq boshqa — TFD maʼlumotlar bazasidan foydalanadi. Fprom esa promotor ketma-ketliklarining boshqa to‘plamida o‘qitilgan TSSG algoritmidir. | TSSG — insondagi PolII promotor sohasi, Fprom — insondagi promotor sohasi. |
| TSSP | Algoritm TSSW kabi ishlaydi, ammo o‘simliklardagi regulyator elementlarning RegSite maʼlumotlar bazasidan foydalanadi. Algoritm o‘simlik promotor sohalarining ketma-ketliklari asosida o‘qitilgan. | O‘simliklarning promotor sohasi. |
| PePPER | Algoritm tekshirilgan pozitsion vazn matritsasi va yashirin Markov modeliga asoslanib, -35 va -10 konsensus ketma-ketliklari hamda Bacillus subtilis va Escherichia colining turli bog‘lanish sohalaridan foydalangan holda promotor sohasini bashorat qiladi (bu bakteriyalar mos ravishda grammusbat va grammanfiy bakteriyalar vakillari sifatida olingan). | Prokariotlar promotor sohasi (asosan bakteriya genomlari uchun mos). |
| PromoterInspector | Evristik algoritm sutemizuvchilar ketma-ketliklari namunasida promotor sohasining genomdagi atrof-muhitiga asoslanadi. | Sutemizuvchilarning PolII promotor sohasi. |
| BPROM | Algoritm TSSW kabi ishlaydi va DPInteract funksional sohalar maʼlumotlar bazasidan foydalanadi. | σ70 promotor sohasi — E. coli. |
| NNPP 2.2 | Dastur kechikishli neyron tarmoqdan iborat bo‘lib, uning ikkita funksional qatlami mavjud: biri TATA-boksni, ikkinchisi esa Inr-elementni tanib olish uchun mo‘ljallangan. | Eukariot va prokariotlarning promotor sohasi. |
| G4PromFinder | Algoritm ATga boy elementlar va GCga boy mintaqadagi G-kvadrupleks DNK motivlari asosida ehtimoliy promotorlarni aniqlaydi. | Bakteriyalarning promotor sohasi. |
Turli organizmlarda bashorat qilingan hamda tajribada tasdiqlangan promotor sohalari sonining ortishi bilan promotor ketma-ketliklari maʼlumotlar bazasini yaratish zarurati tug‘ildi. Eukariotlar (asosan umurtqali hayvonlar) promotor ketma-ketliklarining eng yirik maʼlumotlar bazasi Eukaryotic Promoter Database hisoblanadi. Bu baza ikki qismga bo‘lingan. Birinchisi (EPD) — tajriba maʼlumotlariga ishlov berish orqali olingan promotor ketma-ketliklarining tekshirilgan to‘plami; ikkinchisi (EPDnew) — EPD bazasidagi promotorlar haqidagi maʼlumotlarni yuqori unumli sekvenslash usullari natijalari bilan birlashtirish mahsuli. Transkriptomlarni aniqlashning yuqori unumli usullari yordamida ayrim o‘simliklar va zamburug‘lar vakillari uchun promotorlar to‘plami olindi: Arabidopsis thaliana (Tal rezuxovidkasi), Zea mays (shirin makkajo‘xori), Saccharomyces cerevisiae, Schizosaccharomyces pombe.
