U molekulskoj biologiji, TATA-kutija (također zvana Goldberg–Hognessova kutija)[1] je sekvenca DNK pronađena u promotorskoj regiji jedarnog gena u Archaea i eukariota.[2] Bakterijski homolog TATA-kutije naziva se Pribnowljeva kutija, koja ima kraću konsenzusnu sekvencu.
TATA-kutija se smatra nekodirajućom DNK sekvencom (također poznata kao cis-regulatorni element). Nazvana je "TATA-kutija" jer sadrži konsenzusnu sekvencu koju karakteriše ponavljanje baznih patova T i A.[3] Kako je nastao termin "kutija" nije jasno. Tokom 1980-ih, tokom istraživanja nukleotidnih sekvenci u mišjem genomskom lokusu, pronađena je sekvenca Hognessove kutije i "upakirana" u poziciju –31.[4] Kada su konsenzusni nukleotidi alternativni upoređivani, istraživači su "upakirali" homologne regije.[4] Boksiranje sekvenci baca svjetlo na porijeklo termina "kutija".
TATA-kutija je prvi put identifikovana 1978.[1] kao komponenta eukariotskih promotora. Transkripcija se pokreće u TATA-kutiji u genima koji sadrže TATA. TATA-kutija je mjesto vezivanja TATA-vezujućeg proteina (TBP) i drugih transkripcijskih faktora u nekim eukariotskim genima. Transkripcija gena pomoću RNK-polimeraze II zavisi od regulacije promotora jezgra pomoću regulatornih elemenata dugog dometa, kao što su pojačivači i prigušivači.[5] Bez odgovarajuće regulacije transkripcije, eukariotski organizmi ne bi mogli pravilno reaguju na svoju okolinu.
Na osnovu sekvence i mehanizma pokretanja TATA-kutije, mutacije kao što su umetanja, delecija i tačkaste mutacije do ove konsenzusne sekvence mogu rezultirati fenotipskim promjenama. Ove fenotipske promjene se tada mogu pretvoriti u fenotip bolesti. Neke bolesti povezane s mutacijama u TATA-kutiji uključuju neke bolesti, kao što su rak želuca, spinocerebelarna ataksija, Huntingtonova bolest, sljepoća, β-talasemija, imunosupresija, Gilbertov sindrom i HIV-1. TATA-vezujući protein (TBP) bi također mogao biti na meti virusa kao sredstvo virusne transkripcije.[6]
Promotorske sekvence variraju između bakterija i eukariota. Kod eukariota, TATA kutija se nalazi 25 baznih parovas uzvodno od početka mjesta koje Rpb4/Rbp7 koristi za pokretanje transkripcije. U metazoa, TATA kutija nalazi se 30 baznih parova uzvodno od mjesta početka transkripcije.[5] Dok je u kvascu, S. cerevisiae, TATA kutija ima promjenjivu poziciju koja može biti u rasponu od 40 do 100 bp uzvodno od početne lokacije. TATA kutija se također nalazi u 40% promotorskog jezgra gena koji kodiraju aktinski citoskelet i kontraktilni aparat u ćelijama.[5]
Tip promotora jezgra utiče na nivo transkripcije i ekspresije gena. TATA-vezujući protein (TBP) može se regrutovati na dva načina, pomoću SAGA, kofaktora za RNK-polimerazu II, ili pomoću TFIID.[7] Kada promotori koriste kompleks SAGA/TATA kutije za regrutaciju RNK polimeraze II, bolje su regulirani i pokazuju više nivoe ekspresije od promotora koji koriste TFIID/TBP način regrutacije.[7]
Kod bakterija, regioni promotora mogu sadržavati Pribnowljevu kutiju, koja služi analognoj svrsi eukariotskoj TATA-kutiji. Ona ima regiju od 6 bp centriranu oko pozicije –10 i sekvencu od 8-12 bp oko –35 regije, koje su oboje konzervirane.
CAAT-kutija (takođe CAT kutija) je regija nukleotida sa sljedećom konsenzusnom sekvencom: 5’ GGCCAATCT 3’. CAAT kutija nalazi se oko 75-80 baza uzvodno od mjesta inicijacije transkripcije i oko 150 baza uzvodno od TATA-kutije. Veže transkripcijski faktor (CAAT TF ili CTF) i na taj način stabilizira obližnji preinicijacijski kompleks radi lakšeg vezivanja RNK-polimeraza. CAAT kutije se rijetko nalaze u genima koji eksprimiraju proteine sveprisutne u svim tipovima ćelija.
TATA kutija je komponenta eukariotskog promotorskog jezgra i općenito sadrži konsenzusnu sekvencu 5'-TATA(A/T)A(A/T)-3'.[3] Kod kvasca, naprimjer, jedna studija je otkrila da različiti genomi Saccharomyces imaju konsenzusbu sekvencu 5'-TATA(A/T)A(A/T)(A/G)-3', ali samo oko 20% gena kvasca čak je sadržavalo TATA sekvencu.[8] Slično tome, kod ljudi samo 24% gena ima promotorske regione koji sadrže TATA kutiju.[9] Geni koji sadrže TATA-kutiju imaju tendenciju da budu uključeni u reakcije na stres i određene tipove metabolizma i više su regulirani u poređenju sa genima bez TATA.[8][10] Općenito, geni koji sadrže TATA nisu uključeni u bitne ćelijske funkcije kao što su rast ćelije, replikacija DNK, transkripcija i translacija zbog njihove visoko regulirane prirode.[10]
TATA-kutija se obično nalazi 25-35 parova baza uzvodno od mjesta početka transkripcije. Geni koji sadrže TATA kutiju obično zahtijevaju dodatne promotorske elemente, uključujući inicijator mjesto koje se nalazi samo uzvodno od mjesta početka transkripcije i nizvodno od jezgarnog elementa (DCE).[3] Ovi dodatni regioni promotora rade u sprezi sa TATA kutijom da regulišu inicijaciju transkripcije kod eukariota.
TATA-kutija je mjesto formiranja kompleksa preinicijacije, što je prvi korak u inicijaciji transkripcije kod eukariota. Formiranje preinicijacionog kompleksa počinje kada se transkripcijski faktor II D (TFIID) veže za TATA kutiju na svojoj podjedinici TATA-vezujućem proteinu (TBP).[3] TBP se vezuje za mali žlijeb[11] TATA kutije preko regiona antiparalelnih β listova u proteinu.[12] Tri tipa molekulskih interakcija doprinose vezivanju TBP-a u TATA kutiju:
Dodatno, vezivanje TBP-a olakšano je stabilizacijom interakcija sa DNK koja okružuje TATA kutiju, koja se sastoji od sekvenci bogatih G–C.[15] Ove sekundarne interakcije izazivaju savijanje DNK i spiralno odmotavanje.[16] Stepen savijanja DNK zavisi od vrste i sekvence. Naprimjer, jedna studija koristila je sekvencu promotora adenovirusa TATA (5'-CGCTATAAAAGGGC-3') kao modelnu sekvencu vezivanja i otkrila da vezanje ljudskog TBP-a za TATA kutiju izaziva savijanje od 97° prema glavnom žlijebu dok je TBP protein kvasca indukovao savijanje samo od 82°.[17] Rendgeb+nskokristalografske studije TBP/TATA-kutijskog kompleksa općenito se slažu da DNK prolazi kroz ~80° savijanje tokom procesa TBP-vezivanja.
Konformacijske promjene izazvane vezivanjem TBP za TATA kutiju omogućavaju dodatnim trankripcijskim faktoerom i RNK-polimr+erazom II da se vežu za promotorski region. TFIID se prvo vezuje za TATA kutiju, što je olakšano vezivanjem TFIIA za uzvodni dio kompleksa TFIID.[18][19] TFIIB se zatim vezuje za TFIID-TFIIA-DNK kompleks kroz interakcije i uzvodno i nizvodno od TATA kutije.[20] RNK-polimeraza II se zatim regrutuje u ovaj multiproteinski kompleks uz pomoć TFIIF-u.[20] Dodatni faktori transkripcije se zatim vezuju, prvo TFIIE, a zatim TFIIH. Ovim se završava sklapanje preinicijacijski kompleks za eukariotsku transkripciju.[3] Općenito, TATA kutija se nalazi na promotorskim regijama RNK-polimeraze II, iako su neke in vitro studije pokazale da RNK-polimeraza III može prepoznati TATA-sekvence.[21]
Ovaj klaster RNK-polimeraze II i različitih transkripcijskih faktora poznat je kao bazni transkripcijski kompleks (BTC). U ovom stanju daje samo nizak nivo transkripcije. Drugi faktori moraju stimulisati BTC da poveća nivoe transkripcije. Jedan takav primjer BTC stimulirajućeg regiona DNK je CAAT-kutija. Dodatni faktori, uključujući Kompleks posrednika, regulatorne proteine transkripcije i nukleosom-modificirajući enzim također poboljšavaju transkripciju in vivo.[3]
U specifičnim tipovima ćelija ili na specifičnim promotorima TBP može se zamijeniti jednim od nekoliko faktora povezanih s TBP (TRF1 kod Drosophila, TBPL1/TRF2 u metazoa, TBPL2/TRF3 u kičmenjaka ), od kojih neki stupaju u interakciju sa TATA kutijom slično TBP-u.[22] Interakcija TATA kutija sa raznim aktivatorima ili represorom može uticati na transkripciju gena na mnogo načina. Pojalčivači su regulatorni elementi dugog dometa koji povećavaju aktivnost promotera dok prigušivači potiskuju aktivnost promotora.
Mutacije u TATA kutiju može se kretati od delecija ili insertcija do tačkastih mutacija sa različitim efektima na osnovu gena koja je mutirana. Mutacije mijenjaju vezivanje TATA-vezujućeg proteina (TBP) za inicijaciju transkripcije. Dakle, postoji rezultujuća promena u fenotipu zasnovana na genu koji se ne eksprimira (slika 3).
Jedna od prvih studija mutacija TATA kutije je posmatrala sekvencu DNK iz Agrobacterium tumefaciens za tip oktopina gena citokinske signalizacije.< ref name=":5"/> Ovaj specifični gen ima tri TATA kutije. Promjena fenotipa uočena je samo kada su sva tri TATA polja deletirana. Insercija dodatnih parova baza između posljednjeg TATA okvira i mjesta početka transkripcije rezultiralo je pomjeranjem na početnom mestu; što rezultira fenotipskom promjenom. Iz ove originalne mutacijamutacijske studije, promjena u transkripciji se može vidjeti kada ne postoji TATA-kutija koja promovira transkripciju, ali će se transkripcija gena dogoditi kada postoji insercija u sekvencama. Na prirodu rezultirajućeg fenotipa može uticati insercija.
Mutacije u kukuruznom promotoru utiču na ekspresiju promotora gena u biljnom organu specifičnom način.[25] Duplikacija TATA kutije dovodi do značajnog smanjenja enzimske aktivnosti u skutelumu i korijenju, ostavljajući polenske nivoe enzima nepromijenjenim. Delecija TATA kutije dovodi do malog smanjenja enzimske aktivnosti u skutelumu i korijenu, ali veliko smanjenje enzimskih nivoa u polenu.[25]
Tačkaste mutacije na TATA kutiji imaju slične različite fenotipske promjene u zavisnosti od gena koji je zahvaćen. Studije također pokazuju da postavljanje mutacije u sekvencu TATA kutije ometa vezivanje TBP-a.[24] Naprimjer, mutacija od TATAAAA do CATAAAA u potpunosti ometa vezivanje u dovoljnoj mjeri da se promijeni transkripcija, susjedne sekvence mogu uticati na to da li postoji promjena ili ne.[26] Međutim, može se vidjeti promjena u HeLa ćelijama sa TATAAAAA u TATACAA, što dovodi do 20 puta smanjene transkripcije.[27] Neke bolesti koje zbog ove insuficijencije mogu biti uzrokovane specifičnim genom transkripcije su: talasemija,[28] rak pluća,[29] hronična hemolitska anemija,[30] immunosupresija,[31] hemofilija B Leyden,[32] tromboflebitis i infarkt miokarda.[33]
Savinkova et al. napisali su simulaciju da predvidi vrijednost KD za odabranu sekvencu TATA kutije i TBP-a.[34] Ovo se može koristiti za direktno predviđanje fenotipskih osobina koje su rezultat odabrane mutacije na osnovu toga koliko se čvrsto TBP vezuje za TATA kutiju.
Mutacije u TATA-kutijskom regionu utiču na vezivanje TATA-vezujućeg proteina (TBP) za iniciranje transkripcije, što može uzrokovati da nositelji imaju bolesni fenotip.
Rak želuca je u korelaciji sa TATA kutijskimn polimorfizmom.[35] TATA kutija ima vezujuće mjesto za transkripcijski faktor gena PG2. Ovaj gen proizvodi PG2 serum, koji se koristi kao biomarker za tumore kod raka želuca. Duže sekvence TATA kutije koreliraju sa višim nivoima seruma PG2, što ukazuje na stanja raka želuca. Nositelji sa kraćim sekvencama TATA kutija mogu proizvesti niže razine PG2 seruma.
Nekoliko neurodegenerativnih poremećaja povezani su s mutacijama TATA kutije.[36] Naglašena su dva poremećaja, spinocerebelarna ataksija i Huntingtonova bolest. Kod spinocerebelarne ataksije, fenotip bolesti je uzrokovan ekspanzijom poliglutaminskog ponavljanja u TATA-vezujućem proteinu (TBP). Doći će do akumulacije ovih poliglutamin-TBP ćelija, kao što pokazuju proteinski agregati u moždanim dijelovima pacijenata, što rezultira gubitkom neuronskih ćelija.
Sljepoća može biti uzrokovano prekomjernim stvaranjem katarakta, kada je TATA kutija na meti mikroRNK da poveća nivo gena oksidativnog stresa.[37] MikroRNK mogu ciljati na 3'-neprevedeni region i vezati se za TATA kutiju, kako bi aktivirale transkripciju gena povezanih sa oksidativnim stresom.
Jednonukleotidni polimorfizami (SNP-ovi]] u TATA kutijama povezani su sa B-talasemijom, imunosupresijom i drugim neurološkim poremećajima.[38] Jednonukleotidni polimorfizmi destabilizuju TBP/TATA kompleks, što značajno smanjuje brzinu kojom će se TATA-vezujući proteini (TBP) vezati za TATA kutiju. To dovodi do nižih nivoa transkripcije, što utiče na ozbiljnost bolesti. Rezultati studija su do sada pokazali interakciju in vitro, ali rezultati mogu biti uporedivi sa onima in vivo.
Gilbertov sindrom je u korelaciji sa UTG1A1 TATA kutijskim polimorfizmom.[39] Ovo predstavlja rizik za nastanak žutice kod novorođenčadi.
MikroRNK također imaju ulogu u replikaciji virusa kao što su HIV-1.[40] Utvrđeno je da nova mikroRNL kodirana HIV-1 povećava proizvodnju virusa, kao i aktivira latenciju HIV-1 ciljanjem na TATA kutiju.
Mnoge dosadašnje studije su sprovedene in vitro, dajući samo predviđanje onoga što se može dogoditi, a ne prikaz onoga što se dešava u ćelijama u realnom vremenu. Nedavne studije iz 2016. urađene su kako bi se pokazala aktivnost vezivanja TATA in vivo. Osnovni promotorski mehanizmi za iniciranje transkripcije pomoću kanonske TBP/TFIID-zavisne bazne transkripcijske mašinerije nedavno su dokumentovani in vivo koji pokazuju aktivaciju od SRF-zavisnu uzvodnu aktivirajuću sekvencu (UAS) ljudskog ACTB gena koji je uključen u TATA-vezivanje.[5]
Farmaceutske kompanije su godinama osmišljavale lijekove zs terapiju raka za ciljanje DNK tradicijskim metodima i pokazale su se uspješnim.[41] Međutim, toksičnost ovih lijekova natjerala je znanstvenike da istraže druge procese povezane s DNK, koji bi umjesto toga mogli biti ciljani. Posljednjih godina učinjen je zajednički napor da se pronađu molekulske mete specifične za rak, kao što su kompleksi protein-DNK, koji uključuju motiv vezivanja TATA. Spojevi koji zarobljavaju protein-DNK intermedijer mogu dovesti do toga da on bude toksičan za ćelije kada naiđu na događaj obrade DNK. Primjeri lijekova koji sadrže takve spojeve uključuju topotekan, SN-38 (topoizomeraza I), doksorubicin i mitoksantron (topoizomeraza II).[41] Cisplatin je spoj koji se vezuje kovalentno za susjedne guanine u glavnom žlijebu heliksne dvojne nukleinske kiseline DNK, koji iskrivljuje DNK kako bi omogućio pristup DNK-vezujućem proteinu u manjem žlijebu.[41] Ovo će destabilizovati interakciju između TATA-vezujućeg proteina (TBP) i TATA-kutije. Rezultat je imobilizacija TATA-vezujućeg proteina (TBP) na DNK kako bi se smanjila regulacija transkripcijske inicijacije.
Evolucijske promjene su natjerale biljke da se prilagode promjenjivim uvjetima okoline. U historiji Zemlje, razvoj Zemljine aerobne atmosfere rezultirao je nedostatkom gvožđa u biljkama.[42] U poređenju sa ostalim pripadnicima iste vrste, Malus baccata var. xiaojinensis ima TATA-kutiju umetnutu u promotor uzvodno od transportera regulisanog gvožđem 1 (IRT1) promotora. Kao rezultat toga, nivoi aktivnosti promotora su poboljšani, povećavajući aktivnost TFIID, a zatim početak transkripcije, što rezultira fenotipom koji je učinkovitiji od gvožđa.[42]