Caja tata

En biología molecular, la caja TATA (también llamada caja Goldberg-Hogness) es una secuencia de ADN que se encuentra en la región promotora central de genes en arqueas y eucariotas.. El homólogo bacteriano de la caja TATA se llama caja Pribnow y tiene una secuencia consenso más corta.

La caja TATA se considera una secuencia de ADN no codificante (también conocida como elemento regulador cis). Se denominó "caja TATA" ya que contiene una secuencia consenso caracterizada por pares de bases T y A repetidos. ¿Cómo se utiliza el término "caja" se originó no está claro. En la década de 1980, mientras se investigaban secuencias de nucleótidos en loci del genoma de ratón, se encontró la secuencia de la caja de Hogness y se "encajonó" en una caja. en la posición -31. Cuando se compararon los nucleótidos de consenso y los alternativos, las regiones homólogas estaban "encajonadas"; por los investigadores. El encajonamiento de secuencias arroja luz sobre el origen del término "caja".

La caja TATA se identificó por primera vez en 1978 como un componente de los promotores eucariotas. La transcripción se inicia en la caja TATA en los genes que contienen TATA. La caja TATA es el sitio de unión de la proteína de unión a TATA (TBP) y otros factores de transcripción en algunos genes eucariotas. La transcripción genética por la ARN polimerasa II depende de la regulación del promotor central mediante elementos reguladores de largo alcance, como potenciadores y silenciadores. Sin una regulación adecuada de la transcripción, los organismos eucariotas no podrían responder adecuadamente a su entorno.

Según la secuencia y el mecanismo de iniciación de la caja TATA, mutaciones como inserciones, eliminaciones y mutaciones puntuales en esta secuencia consenso pueden provocar cambios fenotípicos. Estos cambios fenotípicos pueden luego convertirse en un fenotipo de enfermedad. Algunas enfermedades asociadas con mutaciones en la caja TATA incluyen cáncer gástrico, ataxia espinocerebelosa, enfermedad de Huntington, ceguera, β-talasemia, inmunosupresión, síndrome de Gilbert y VIH-1. Los virus también podrían atacar la proteína de unión a TATA (TBP) como medio de transcripción viral.

Historia

Descubrimiento

La caja TATA fue el primer motivo promotor central eucariota identificado en 1978 por el bioquímico estadounidense David Hogness mientras él y su estudiante de posgrado, Michael Goldberg, estaban de año sabático en la Universidad de Basilea en Suiza. Descubrieron por primera vez la secuencia TATA mientras analizaban 5' Secuencias promotoras de ADN en genes de Drosophila, mamíferos y virus. La caja TATA se encontró en genes codificadores de proteínas transcritos por la ARN polimerasa II.

Historia evolutiva

La mayor parte de las investigaciones sobre la caja TATA se han realizado en genomas de levadura, humanos y Drosophila; sin embargo, se han encontrado elementos similares en arqueas y eucariotas antiguos. En las especies de arqueas, el promotor contiene una secuencia rica en AT de 8 pb ubicada aproximadamente 24 pb aguas arriba del sitio de inicio de la transcripción. Esta secuencia se llamó originalmente Caja A, y ahora se sabe que es la secuencia que interactúa con el homólogo de la proteína de unión a TATA (TBP) de las arqueas. Además, aunque algunos estudios han descubierto varias similitudes, hay otros que han detectado diferencias notables entre la TBP de arqueas y eucariotas. La proteína arquea exhibe una mayor simetría en su secuencia primaria y en la distribución de la carga electrostática, lo cual es importante porque la mayor simetría reduce la capacidad de la proteína para unirse a la caja TATA de manera polar.

Aunque la caja TATA está presente en muchos promotores eucariotas, no está contenida en la mayoría de los promotores. Un estudio encontró que menos del 30% de 1031 regiones promotoras potenciales contienen un supuesto motivo de caja TATA en humanos. En Drosophila, menos del 40% de los 205 promotores centrales contienen una caja TATA. Cuando hay ausencia de la caja TATA y TBP no está presente, el elemento promotor aguas abajo (DPE) en cooperación con el elemento iniciador (Inr) se une al factor de transcripción II D (TFIID), iniciando la transcripción en promotores sin TATA. El DPE se ha identificado en tres promotores sin TATA de Drosophila y en el promotor IRF-1 humano sin TATA.

Características

Ubicación

Las secuencias promotoras varían entre bacterias y eucariotas. En eucariotas, la caja TATA está ubicada 25 pares de bases aguas arriba del sitio de inicio que utilizan Rpb4/Rbp7 para iniciar la transcripción. En los metazoos, la caja TATA se encuentra a 30 pares de bases aguas arriba del sitio de inicio de la transcripción. Mientras que en la levadura, S. cerevisiae, la caja TATA tiene una posición variable que puede oscilar entre 40 y 100 pb aguas arriba del sitio de inicio. La caja TATA también se encuentra en el 40% de los promotores centrales de genes que codifican el citoesqueleto de actina y el aparato contráctil de las células.

El tipo de promotor central afecta el nivel de transcripción y expresión de un gen. La proteína de unión a TATA (TBP) se puede reclutar de dos maneras: mediante SAGA, un cofactor de la ARN polimerasa II, o mediante TFIID. Cuando los promotores utilizan el complejo de caja SAGA/TATA para reclutar la ARN polimerasa II, están más regulados y muestran niveles de expresión más altos que los promotores que utilizan el modo de reclutamiento TFIID/TBP.

Secuencias análogas

En las bacterias, las regiones promotoras pueden contener una caja de Pribnow, que tiene un propósito análogo al de la caja TATA eucariota. La caja de Pribnow tiene una región de 6 pb centrada alrededor de la posición -10 y una secuencia de 8-12 pb alrededor de la región -35, ambas conservadas.

Una caja CAAT (también caja CAT) es una región de nucleótidos con la siguiente secuencia consenso: 5’ GGCCAATCT 3’. La caja CAAT está situada aproximadamente entre 75 y 80 bases aguas arriba del sitio de inicio de la transcripción y aproximadamente 150 bases aguas arriba de la caja TATA. Se une a factores de transcripción (CAAT TF o CTF) y, por lo tanto, estabiliza el complejo de preiniciación cercano para facilitar la unión de las ARN polimerasas. Las cajas CAAT rara vez se encuentran en genes que expresan proteínas ubicuas en todos los tipos de células.

Estructura

Secuencia y prevalencia

La caja TATA es un componente del promotor central eucariota y generalmente contiene la secuencia consenso 5'-TATA(A/T)A(A/T)-3'. En la levadura, por ejemplo, un estudio encontró que varios genomas de Saccharomyces tenían la secuencia consenso 5'-TATA(A/T)A(A/T)(A/G)-3'.;, sin embargo, sólo alrededor del 20% de los genes de levadura contenían la secuencia TATA. De manera similar, en humanos sólo el 24% de los genes tienen regiones promotoras que contienen la caja TATA. Los genes que contienen la caja TATA tienden a estar involucrados en respuestas al estrés y ciertos tipos de metabolismo y están más regulados en comparación con los genes sin TATA. Generalmente, los genes que contienen TATA no participan en funciones celulares esenciales como el crecimiento celular, la replicación, la transcripción y la traducción del ADN debido a su naturaleza altamente regulada.

La caja TATA generalmente se encuentra entre 25 y 35 pares de bases aguas arriba del sitio de inicio de la transcripción. Los genes que contienen la caja TATA generalmente requieren elementos promotores adicionales, incluido un sitio iniciador ubicado justo aguas arriba del sitio de inicio de la transcripción y un elemento central aguas abajo (DCE). Estas regiones promotoras adicionales funcionan junto con la caja TATA para regular el inicio de la transcripción en eucariotas.

Función

Papel en el inicio de la transcripción

La caja TATA es el sitio de formación del complejo de preiniciación, que es el primer paso en la iniciación de la transcripción en eucariotas. La formación del complejo de preiniciación comienza cuando el factor de transcripción de múltiples subunidades II D (TFIID) se une a la caja TATA en su subunidad de la proteína de unión a TATA (TBP). TBP se une al surco menor de la caja TATA a través de una región de láminas β antiparalelas en la proteína. Tres tipos de interacciones moleculares contribuyen a la unión de TBP a la caja TATA:

1. Cuatro residuos de fenilalanina (Phe57, Phe74, Phe148, Phe 165) en TBP se une al ADN y forman kinks en el ADN, forzando la ranura menor de ADN abierta.
2. Cuatro bonos de hidrógeno se forman entre cadenas laterales polares en aminoácido TBP (Asn27, Asn117, Thr82, Thr173)(y bases en la ranura menor.
3. Numerosas interacciones hidrofóbicas (~15) se forman entre residuos TBP (en particular Ile152 y Leu163) y bases de ADN, incluyendo fuerzas de van der Waals.

Además, la unión de TBP se facilita mediante interacciones estabilizadoras con el ADN que flanquea la caja TATA, que consta de secuencias ricas en G-C. Estas interacciones secundarias inducen la flexión del ADN y el desenrollado helicoidal. El grado de curvatura del ADN depende de la especie y la secuencia. Por ejemplo, un estudio utilizó la secuencia del promotor TATA del adenovirus (5'-CGCTATAAAAGGGC-3') como secuencia de unión modelo y encontró que la unión de la TBP humana a la caja TATA inducía una Curva de 97° hacia el surco principal, mientras que la proteína TBP de levadura solo indujo una curvatura de 82°. Los estudios de cristalografía de rayos X de complejos TBP/TATA-box generalmente coinciden en que el ADN pasa por una curvatura de ~80° durante el proceso de unión a TBP.

Los cambios conformacionales inducidos por la unión de TBP a la caja TATA permiten que factores de transcripción adicionales y la ARN polimerasa II se unan a la región promotora. TFIID se une primero a la caja TATA, facilitado por la unión de TFIIA a la parte aguas arriba del complejo TFIID. Luego, TFIIB se une al complejo TFIID-TFIIA-ADN a través de interacciones tanto aguas arriba como aguas abajo de la caja TATA. Luego, la ARN polimerasa II se recluta en este complejo multiproteico con la ayuda de TFIIF. Luego se unen factores de transcripción adicionales, primero TFIIE y luego TFIIH. Esto completa el ensamblaje del complejo de preiniciación para la transcripción eucariota. Generalmente, la caja TATA se encuentra en las regiones promotoras de la ARN polimerasa II, aunque algunos estudios in vitro han demostrado que la ARN polimerasa III puede reconocer secuencias TATA.

Este grupo de ARN polimerasa II y varios factores de transcripción se conoce como complejo transcripcional basal (BTC). En este estado, sólo da un bajo nivel de transcripción. Otros factores deben estimular el BTC para aumentar los niveles de transcripción. Un ejemplo de una región de ADN estimulante de BTC es la caja CAAT. Factores adicionales, incluido el complejo mediador, las proteínas reguladoras de la transcripción y las enzimas modificadoras de nucleosomas, también mejoran la transcripción in vivo.

Interacciones

En tipos de células específicas o en promotores específicos, TBP puede ser reemplazado por uno de varios factores relacionados con TBP (TRF1 en Drosophila, TBPL1/TRF2 en metazoos, TBPL2/TRF3 en vertebrados), algunos de los cuales interactúan con la caja TATA de manera similar. al TBP. La interacción de las cajas TATA con una variedad de activadores o represores puede influir en la transcripción de genes de muchas maneras. Los potenciadores son elementos reguladores de largo alcance que aumentan la actividad del promotor mientras que los silenciadores la reprimen.

Mutaciones

Las mutaciones en la caja TATA pueden variar desde una eliminación o inserción hasta una mutación puntual con efectos variables según el gen que ha sido mutado. Las mutaciones cambian la unión de la proteína de unión a TATA (TBP) para el inicio de la transcripción. Por tanto, se produce un cambio resultante en el fenotipo basado en el gen que no se expresa (Figura 3).

Inserciones o eliminaciones

Uno de los primeros estudios sobre mutaciones de la caja TATA analizó una secuencia de ADN de Agrobacterium tumefaciens para el gen de la citoquinina de tipo octopina. Este gen específico tiene tres cajas TATA. Sólo se observó un cambio de fenotipo cuando se eliminaron las tres cajas TATA. Una inserción de pares de bases adicionales entre la última caja TATA y el sitio de inicio de la transcripción resultó en un cambio en el sitio de inicio; por lo tanto, resulta en un cambio fenotípico. A partir de este estudio de mutación original, se puede ver un cambio en la transcripción cuando no hay una caja TATA para promover la transcripción, pero la transcripción de un gen ocurrirá cuando hay una inserción en la secuencia. La naturaleza del fenotipo resultante puede verse afectada debido a la inserción.

Las mutaciones en los promotores del maíz afectan la expresión de los genes promotores de una manera específica de cada órgano de la planta. Una duplicación de la caja TATA conduce a una disminución significativa de la actividad enzimática en el escutelo y las raíces, sin afectar los niveles enzimáticos del polen. Una eliminación de la caja TATA provoca una pequeña disminución de la actividad enzimática en el escutelo y las raíces, pero una gran disminución de los niveles enzimáticos en el polen.

Mutaciones puntuales

Las mutaciones puntuales en la caja TATA tienen cambios fenotípicos variables similares según el gen afectado. Los estudios también muestran que la ubicación de la mutación en la secuencia de la caja TATA dificulta la unión de TBP. Por ejemplo, una mutación de TATAAAA a CATAAAA dificulta completamente la unión lo suficiente como para cambiar la transcripción, las secuencias vecinas pueden afectar si hay un cambio o no. Sin embargo, se puede observar un cambio en las células HeLa de TATAAAA a TATACAA que conduce a una disminución de 20 veces en la transcripción. Algunas enfermedades que pueden ser causadas por esta insuficiencia de la transcripción genética específica son: talasemia, cáncer de pulmón, anemia hemolítica crónica, inmunosupresión, hemofilia B Leyden y tromboflebitis e infarto de miocardio.

Savinkova et al. ha escrito una simulación para predecir el valor KD para una secuencia de caja TATA seleccionada y TBP. Esto se puede utilizar para predecir directamente los rasgos fenotípicos resultantes de una mutación seleccionada en función de qué tan estrechamente se une TBP a la caja TATA.

Enfermedades

Las mutaciones en la región de la caja TATA afectan la unión de la proteína de unión a TATA (TBP) para el inicio de la transcripción, lo que puede causar que los portadores tengan un fenotipo de enfermedad.

El cáncer gástrico se correlaciona con el polimorfismo de la caja TATA. La caja TATA tiene un sitio de unión para el factor de transcripción del gen PG2. Este gen produce suero PG2, que se utiliza como biomarcador de tumores en el cáncer gástrico. Las secuencias de cajas TATA más largas se correlacionan con niveles más altos de suero PG2 que indican enfermedades de cáncer gástrico. Los portadores con secuencias de cajas TATA más cortas pueden producir niveles más bajos de suero PG2.

Varios trastornos neurodegenerativos están asociados a mutaciones de la caja TATA. Se han destacado dos trastornos, la ataxia espinocerebelosa y la enfermedad de Huntington. En la ataxia espinocerebelosa, el fenotipo de la enfermedad es causado por la expansión de la repetición de poliglutamina en la proteína de unión a TATA (TBP). Se producirá una acumulación de estas células de poliglutamina-TBP, como lo demuestran los agregados de proteínas en secciones del cerebro de los pacientes, lo que dará como resultado una pérdida de células neuronales.

La ceguera puede ser causada por una formación excesiva de cataratas cuando los microARN atacan la caja TATA para aumentar el nivel de genes de estrés oxidativo. Los microARN pueden apuntar a la región 3'-no traducida y unirse a la caja TATA para activar la transcripción de genes relacionados con el estrés oxidativo.

Los SNP en cajas TATA están asociados con B-talasemia, inmunosupresión y otros trastornos neurológicos. Los SNP desestabilizan el complejo TBP/TATA, lo que disminuye significativamente la velocidad a la que las proteínas de unión a TATA (TBP) se unirán a la caja TATA. Esto conduce a niveles más bajos de transcripción que afectan la gravedad de la enfermedad. Los resultados de los estudios han demostrado la interacción in vitro hasta ahora, pero los resultados pueden ser comparables a los in vivo.

El síndrome de Gilbert se correlaciona con el polimorfismo de la caja TATA UTG1A1. Esto supone un riesgo de desarrollar ictericia en los recién nacidos.

Los microARN también desempeñan un papel en la replicación de virus como el VIH-1. Se ha descubierto que los nuevos microARN codificados por el VIH-1 mejoran la producción del virus y activan la latencia del VIH-1 al apuntar a la región de la caja TATA.

Importancia clínica

Tecnología

Muchos de los estudios hasta ahora se han realizado in vitro y proporcionan sólo una predicción de lo que puede suceder, no una representación en tiempo real de lo que está sucediendo en las células. Se realizaron estudios recientes en 2016 para demostrar la actividad de unión a TATA in vivo. Recientemente se han documentado in vivo mecanismos específicos del promotor central para el inicio de la transcripción mediante la maquinaria de transcripción basal canónica dependiente de TBP/TFIID que muestra la activación mediante la secuencia activadora aguas arriba (UAS) dependiente de SRF del gen ACTB humano implicado en la unión a TATA.

Terapia contra el cáncer

Las empresas farmacéuticas han estado diseñando medicamentos para la terapia del cáncer dirigidos al ADN con métodos tradicionales a lo largo de los años y han demostrado tener éxito. Sin embargo, la toxicidad de estos fármacos ha llevado a los científicos a explorar otros procesos relacionados con el ADN a los que podrían dirigirse. En los últimos años, se ha realizado un esfuerzo colectivo para encontrar dianas moleculares específicas del cáncer, como complejos proteína-ADN, que incluyen el motivo de unión TATA. Los compuestos que atrapan el intermediario proteína-ADN podrían resultar tóxicos para la célula una vez que se encuentren con un evento de procesamiento del ADN. Ejemplos de medicamentos que contienen dichos compuestos incluyen topotecán, SN-38 (topoisomerasa I), doxorrubicina y mitoxantrona (topoisomerasa II). El cisplatino es un compuesto que se une covalentemente a guaninas adyacentes en el surco principal del ADN, lo que distorsiona el ADN para permitir el acceso de las proteínas de unión al ADN en el surco menor. Esto desestabilizará la interacción entre la proteína de unión a TATA (TBP) y la caja TATA. El resultado es inmovilizar la proteína de unión a TATA (TBP) en el ADN para regular negativamente el inicio de la transcripción.

Ingeniería genética

Modificación de la caja TATA

Los cambios evolutivos han empujado a las plantas a adaptarse a las condiciones ambientales cambiantes. En la historia de la Tierra, el desarrollo de la atmósfera aeróbica de la Tierra resultó en una deficiencia de hierro en las plantas. En comparación con otros miembros de la misma especie, Malus baccata var. xiaojinensis tiene una caja TATA insertada en el promotor aguas arriba del promotor del transportador regulado por hierro 1 (IRT1). Como resultado, los niveles de actividad del promotor aumentan, lo que aumenta la actividad de TFIID y, posteriormente, el inicio de la transcripción, lo que da como resultado un fenotipo más eficiente en hierro.