Bindung des Aktivators an regulatorische SequenzenBearbeiten

In den Furchen der DNA-Doppelhelix liegen die funktionellen Gruppen der Basenpaare frei. Die Sequenz der DNA schafft somit ein einzigartiges Muster von Oberflächenmerkmalen, einschließlich Bereichen möglicher Wasserstoffbindungen, ionischer Bindungen sowie hydrophober Wechselwirkungen. Aktivatoren haben auch einzigartige Aminosäuresequenzen mit Seitenketten, die in der Lage sind, mit den funktionellen Gruppen der DNA zu interagieren. Somit ist das Muster der Aminosäureseitenketten, aus denen ein Aktivatorprotein besteht, komplementär zu den Oberflächenmerkmalen der spezifischen DNA-Regulationssequenz, an die es binden soll. Die komplementären Wechselwirkungen zwischen den Aminosäuren des Aktivatorproteins und den funktionellen Gruppen der DNA schaffen eine „passgenaue“ Spezifität zwischen dem Aktivator und seiner regulatorischen DNA-Sequenz.

Die meisten Aktivatoren binden an die Hauptfurchen der Doppelhelix, da diese Bereiche in der Regel breiter sind, aber es gibt auch einige, die an die Nebenfurchen binden.

Aktivator-Bindungsstellen können sich sehr nahe am Promotor befinden oder zahlreiche Basenpaare entfernt. Wenn die regulatorische Sequenz weit entfernt ist, dreht sich die DNA in einer Schleife um sich selbst (DNA-Looping), damit der gebundene Aktivator mit der Transkriptionsmaschinerie an der Promotorstelle interagieren kann.

In Prokaryonten können mehrere Gene gemeinsam transkribiert werden (Operon) und werden somit durch dieselbe regulatorische Sequenz kontrolliert. Bei Eukaryonten werden die Gene in der Regel einzeln transkribiert, und jedes Gen wird durch seine eigenen regulatorischen Sequenzen kontrolliert. Regulatorische Sequenzen, an die Aktivatoren binden, befinden sich in der Regel stromaufwärts des Promotors, können aber auch stromabwärts oder sogar innerhalb von Introns in Eukaryoten zu finden sein.

Funktionen zur Steigerung der GentranskriptionBearbeiten

Die Bindung des Aktivators an seine regulatorische Sequenz fördert die Gentranskription, indem sie die Aktivität der RNA-Polymerase aktiviert. Dies geschieht durch verschiedene Mechanismen, wie die Rekrutierung der Transkriptionsmaschinerie an den Promotor und die Auslösung der RNA-Polymerase zur Fortsetzung der Elongation.

RekrutierungBearbeiten

Aktivator-gesteuerte Gene erfordern die Bindung von Aktivatoren an regulatorische Stellen, um die notwendige Transkriptionsmaschinerie an die Promotorregion zu rekrutieren.

Aktivator-Interaktionen mit der RNA-Polymerase sind in Prokaryonten meist direkt und in Eukaryonten indirekt. Bei Prokaryonten neigen Aktivatoren dazu, direkt mit der RNA-Polymerase in Kontakt zu treten, um sie an den Promotor zu binden. In Eukaryonten interagieren Aktivatoren meist mit anderen Proteinen, und diese Proteine sind es dann, die mit der RNA-Polymerase interagieren.

ProkaryontenBearbeiten

In Prokaryonten haben Gene, die von Aktivatoren kontrolliert werden, Promotoren, die nicht in der Lage sind, selbst stark an die RNA-Polymerase zu binden. Daher helfen Aktivatorproteine, die Bindung der RNA-Polymerase an den Promotor zu fördern. Dies geschieht durch verschiedene Mechanismen. Aktivatoren können die DNA verbiegen, um den Promotor besser freizulegen, so dass die RNA-Polymerase effektiver binden kann. Aktivatoren können direkt mit der RNA-Polymerase in Kontakt treten und sie an den Promotor binden.

EukaryotenEdit

In Eukaryoten haben Aktivatoren eine Vielzahl verschiedener Zielmoleküle, die sie rekrutieren können, um die Gentranskription zu fördern. Sie können andere Transkriptionsfaktoren und Cofaktoren rekrutieren, die für die Transkriptionsinitiierung benötigt werden.

Aktivatoren können Moleküle rekrutieren, die als Coaktivatoren bekannt sind. Diese Coaktivator-Moleküle können dann anstelle der Aktivatoren selbst Funktionen übernehmen, die für den Beginn der Transkription notwendig sind, wie z. B. Modifikationen des Chromatins.

Die DNA ist in Eukaryoten viel stärker kondensiert; daher neigen Aktivatoren dazu, Proteine zu rekrutieren, die in der Lage sind, das Chromatin umzustrukturieren, damit der Promotor für die Transkriptionsmaschinerie leichter zugänglich ist. Einige Proteine ordnen die Anordnung der Nukleosomen entlang der DNA neu an, um die Promotorstelle freizulegen (ATP-abhängige Chromatinumbaukomplexe). Andere Proteine beeinflussen die Bindung zwischen Histonen und DNA durch posttranslationale Histonmodifikationen, so dass sich die fest um die Nukleosomen gewickelte DNA lockern kann.

Alle diese rekrutierten Moleküle arbeiten zusammen, um letztlich die RNA-Polymerase an die Promotorstelle zu bringen.

Freisetzung der RNA-PolymeraseBearbeiten

Aktivatoren können die Gentranskription fördern, indem sie der RNA-Polymerase signalisieren, sich über den Promotor hinaus zu bewegen und sich entlang der DNA fortzubewegen, wodurch der Beginn der Transkription eingeleitet wird. Die RNA-Polymerase kann manchmal kurz nach Beginn der Transkription eine Pause einlegen, und Aktivatoren sind erforderlich, um die RNA-Polymerase aus diesem „festgefahrenen“ Zustand zu befreien. Es gibt mehrere Mechanismen zur Freisetzung dieser „festgefahrenen“ RNA-Polymerasen. Aktivatoren können einfach als Signal wirken, um die weitere Bewegung der RNA-Polymerase auszulösen. Wenn die DNA zu stark kondensiert ist, so dass die RNA-Polymerase die Transkription nicht fortsetzen kann, können Aktivatoren Proteine rekrutieren, die die DNA umstrukturieren können, so dass jegliche Blockaden beseitigt werden. Aktivatoren können auch die Rekrutierung von Elongationsfaktoren fördern, die notwendig sind, damit die RNA-Polymerase die Transkription fortsetzen kann.

Regulierung von AktivatorenBearbeiten

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie die Aktivität von Aktivatoren reguliert werden kann, um sicherzustellen, dass Aktivatoren die Gentranskription zu geeigneten Zeitpunkten und in angemessener Menge stimulieren. Die Aktivität von Aktivatoren kann als Reaktion auf Umweltreize oder andere intrazelluläre Signale zunehmen oder abnehmen.

Aktivierung von AktivatorproteinenBearbeiten

Aktivatoren müssen oft „eingeschaltet“ werden, bevor sie die Gentranskription fördern können. Die Aktivität von Aktivatoren wird durch die Fähigkeit des Aktivators gesteuert, an seine Regulationsstelle entlang der DNA zu binden. Die DNA-Bindungsdomäne des Aktivators hat eine aktive und eine inaktive Form, die durch die Bindung von Molekülen, den so genannten allosterischen Effektoren, an die allosterische Stelle des Aktivators gesteuert wird.

Aktivatoren in ihrer inaktiven Form sind an keine allosterischen Effektoren gebunden. Im inaktiven Zustand ist der Aktivator nicht in der Lage, an seine spezifische regulatorische Sequenz in der DNA zu binden, und hat daher keine regulatorische Wirkung auf die Transkription von Genen.

Wenn ein allosterischer Effektor an die allosterische Stelle eines Aktivators bindet, kommt es zu einer Konformationsänderung in der DNA-Bindungsdomäne, die es dem Protein ermöglicht, an die DNA zu binden und die Gentranskription zu erhöhen.

Posttranslationale ModifikationenBearbeiten

Einige Aktivatoren können posttranslationale Modifikationen erfahren, die sich auf ihre Aktivität in einer Zelle auswirken. Es wurde festgestellt, dass Prozesse wie Phosphorylierung, Acetylierung und Ubiquitinierung die Aktivität von Aktivatoren regulieren. Je nach der hinzugefügten chemischen Gruppe und der Art des Aktivators selbst können posttranslationale Modifikationen die Aktivität eines Aktivators entweder erhöhen oder verringern. So hat sich beispielsweise gezeigt, dass die Acetylierung die Aktivität einiger Aktivatoren durch Mechanismen wie die Erhöhung der DNA-Bindungsaffinität steigert. Andererseits verringert die Ubiquitinierung die Aktivität von Aktivatoren, da Ubiquitin Proteine für den Abbau markiert, nachdem sie ihre jeweilige Funktion erfüllt haben.

SynergyEdit

In Prokaryonten kann ein einziges Aktivatorprotein die Transkription fördern. In Eukaryoten versammeln sich in der Regel mehr als ein Aktivator an der Bindungsstelle und bilden einen Komplex, der die Transkription fördert. Diese Aktivatoren binden kooperativ an der Bindungsstelle, d. h. die Bindung eines Aktivators erhöht die Affinität der Stelle zur Bindung eines anderen Aktivators (oder in manchen Fällen eines anderen Transkriptionsregulators), so dass es für mehrere Aktivatoren einfacher wird, an der Stelle zu binden. In diesen Fällen interagieren die Aktivatoren synergistisch miteinander, was bedeutet, dass die Transkriptionsrate, die durch das Zusammenwirken mehrerer Aktivatoren erreicht wird, viel höher ist als die additiven Effekte der Aktivatoren, wenn sie einzeln wirken würden.