علوم اعصاب پروس؛ سیگنالینگ هسته‌ای: مراحل رونویسی DNA به RNA

Nuclear Signaling

Second messengers elicit prolonged changes in neuronal function by pro- moting the synthesis of new RNA and protein. The resulting accumulation of new proteins requires at least 30 to 60 minutes, a time frame that is orders of magnitude slower than the responses mediated by ion fluxes or phosphorylation. Likewise, the reversal of such events requires hours to days. In some cases, genetic “switches” can be “thrown” to permanently alter a neu- ron, as occurs in neuronal differentia- tion (see Chapter 22).

سیگنالینگ هسته‌ای

پیام‌رسان‌های ثانویه با تحریک سنتز RNA و پروتئین جدید، تغییرات طولانی‌مدتی را در عملکرد نورون‌ها ایجاد می‌کنند. تجمع پروتئین‌های جدید حاصل حداقل به 30 تا 60 دقیقه زمان نیاز دارد، بازه زمانی‌ای که چندین برابر کندتر از پاسخ‌های ناشی از جریان‌های یونی یا فسفوریلاسیون است. به همین ترتیب، معکوس کردن چنین رویدادهایی به ساعت‌ها تا روزها زمان نیاز دارد. در برخی موارد، می‌توان «سوئیچ‌های» ژنتیکی را «وارد» کرد تا یک نورون را به طور دائم تغییر دهند، همانطور که در تمایز نورونی رخ می‌دهد (به فصل 22 مراجعه کنید).

The amount of protein present in cells is determined primarily by the rate of transcription of DNA into RNA (Figure 7.11). The first step in RNA synthesis is the decondensation of the structure of chromatin to provide binding sites for the RNA polymerase complex and for transcriptional activator proteins, also called transcription factors. Transcriptional activator proteins attach to binding sites that are present on the DNA mole-cule near the start of the target gene sequence; they also bind to other proteins that promote unwrapping of DNA. The net result of these actions is to allow RNA polymerase, an enzyme complex, to assemble on the promoter region of the DNA and begin transcription. In ad- dition to clearing the promoter for RNA polymerase, activator proteins can stimulate transcription by interacting with the RNA polymerase complex or by interacting with other activator proteins that influence the polymerase.

مقدار پروتئین موجود در سلول‌ها در درجه اول توسط سرعت رونویسی DNA به RNA تعیین می‌شود (شکل 7.11). اولین مرحله در سنتز RNA، عدم تراکم ساختار کروماتین برای فراهم کردن جایگاه‌های اتصال برای کمپلکس RNA پلیمراز و پروتئین‌های فعال‌کننده رونویسی، که فاکتورهای رونویسی نیز نامیده می‌شوند، است. پروتئین‌های فعال‌کننده رونویسی به جایگاه‌های اتصالی که روی مولکول DNA نزدیک به ابتدای توالی ژن هدف وجود دارند، متصل می‌شوند. آن‌ها همچنین به پروتئین‌های دیگری که باز شدن DNA را تقویت می‌کنند، متصل می‌شوند. نتیجه نهایی این اقدامات، اجازه دادن به RNA پلیمراز، یک کمپلکس آنزیمی، برای تجمع در ناحیه پروموتر DNA و شروع رونویسی است. پروتئین‌های فعال‌کننده علاوه بر پاکسازی پروموتر برای RNA پلیمراز، می‌توانند با تعامل با کمپلکس RNA پلیمراز یا با تعامل با سایر پروتئین‌های فعال‌کننده‌ای که بر پلیمراز تأثیر می‌گذارند، رونویسی را تحریک کنند.

Intracellular signal transduction cascades regulate gene expression by converting transcriptional activator proteins from an inactive state to an active state in which they are able to bind to DNA. This conversion comes about in several ways. The following sections briefly summarize three key activator proteins and the mechanisms that allow them to regulate gene expression in response to signaling events.

آبشارهای انتقال سیگنال درون سلولی، بیان ژن را با تبدیل پروتئین‌های فعال‌کننده رونویسی از حالت غیرفعال به حالت فعال که در آن قادر به اتصال به DNA هستند، تنظیم می‌کنند. این تبدیل از چندین طریق انجام می‌شود. بخش‌های زیر به طور خلاصه سه پروتئین فعال‌کننده کلیدی و مکانیسم‌هایی را که به آنها اجازه می‌دهد بیان ژن را در پاسخ به رویدادهای سیگنالینگ تنظیم کنند، خلاصه می‌کنند.

FIGURE 7.11 Steps in the transcription of DNA into RNA. Condensed chromatin (left) is decondensed into a beads-on-a-DNA-string array (right) in which an upstream activator site (UAS) is free of proteins and is bound by a sequence-specific transcriptional activator protein (a transcription factor). The transcriptional activator protein then binds co-activator complexes that enable the RNA polymerase with its associated factors to bind at the start site of transcription and initiate RNA synthesis.

شکل ۷.۱۱ مراحل رونویسی DNA به RNA. کروماتین متراکم (چپ) به یک آرایه رشته‌ای از مهره‌ها روی DNA (راست) تبدیل می‌شود که در آن یک جایگاه فعال‌کننده بالادست (UAS) عاری از پروتئین است و توسط یک پروتئین فعال‌کننده رونویسی اختصاصی توالی (یک فاکتور رونویسی) متصل می‌شود. سپس پروتئین فعال‌کننده رونویسی به کمپلکس‌های فعال‌کننده مشترک متصل می‌شود که RNA پلیمراز را به همراه فاکتورهای مرتبط با آن قادر می‌سازد تا در محل شروع رونویسی متصل شوند و سنتز RNA را آغاز کنند.

• CREB. The cAMP response element binding pro- tein, usually abbreviated CREB, is a ubiquitous transcrip- tional activator (Figure 7.12). CREB is typically bound to its binding site on DNA (called the cAMP response element, or CRE), either as a homodimer or bound to another, closely related transcription factor. In unstimulated cells, CREB is not phosphorylated and has little or no transcriptional activity. However, phosphorylation of CREB greatly otentiates transcription. Several signaling pathways are capable of causing CREB to be phosphorylated. Both PKA and the ras pathway, for example, can phosphorylate CREB. CREB can also be phosphorylated in response to increased intracellular calcium, in which case the CRE site is also called the CaRE (calcium response element) site. The calcium-dependent phosphorylation of CREB is primarily caused by Ca²⁺/calmodulin kinase IV (a relative of CaM- KII) and by MAPK, which leads to prolonged CREB phosphorylation. CREB phosphorylation must be maintained long enough for transcription to ensue, even though neuronal electrical activity only transiently raises intracellular calcium concentration. Such signaling cascades can poten- tiate CREB-mediated transcription by inhibiting a protein phosphatase that dephosphorylates CREB. CREB is thus an example of the convergence of multiple signaling pathways onto a single transcriptional activator.

• CREB. پروتئین متصل شونده به عنصر پاسخ دهنده به cAMP، که معمولاً به اختصار CREB نامیده می‌شود، یک فعال‌کننده رونویسی فراگیر است (شکل 7.12). CREB معمولاً به محل اتصال خود روی DNA (که عنصر پاسخ cAMP یا CRE نامیده می‌شود) متصل می‌شود، چه به صورت یک همودیمر و چه به صورت متصل به یک فاکتور رونویسی دیگر که ارتباط نزدیکی با آن دارد. در سلول‌های تحریک نشده، CREB فسفریله نمی‌شود و فعالیت رونویسی کمی دارد یا اصلاً ندارد. با این حال، فسفوریلاسیون CREB رونویسی را به میزان زیادی تقویت می‌کند. چندین مسیر سیگنالینگ قادر به فسفریله شدن CREB هستند. به عنوان مثال، هم PKA و هم مسیر ras می‌توانند CREB را فسفریله کنند. CREB همچنین می‌تواند در پاسخ به افزایش کلسیم داخل سلولی فسفریله شود، که در این صورت محل CRE، محل CaRE (عنصر پاسخ کلسیم) نیز نامیده می‌شود. فسفوریلاسیون وابسته به کلسیم CREB در درجه اول توسط ⁺Ca²/کالمودولین کیناز IV (یکی از بستگان CaM-KII) و توسط MAPK ایجاد می‌شود که منجر به فسفوریلاسیون طولانی مدت CREB می‌شود. فسفوریلاسیون CREB باید به اندازه کافی طولانی حفظ شود تا رونویسی انجام شود، حتی اگر فعالیت الکتریکی نورونی فقط به طور گذرا غلظت کلسیم داخل سلولی را افزایش دهد. چنین آبشارهای سیگنالینگ می‌توانند رونویسی با واسطه CREB را با مهار پروتئین فسفاتازی که CREB را دفسفریله می‌کند، تقویت کنند. بنابراین CREB نمونه‌ای از همگرایی مسیرهای سیگنالینگ متعدد به یک فعال‌کننده رونویسی واحد است.

Many genes whose transcription is regulated by CREB have been identified. CREB-sensitive genes include the im- mediate early gene, c-fos (see below), the neurotrophin BDNF see Chapter 23), the enzyme tyrosine hydroxylase (which is important for synthesis of catecholamine neurotransmitters; see Chapter 6), and many neuropeptides (including soma- tostatin, enkephalin, and corticotropin-releasing hormone). CREB also is thought to mediate long-lasting changes in brain function. For example, CREB has been implicated in spatial learning, behavioral sensitization, long-term memory of odorant-conditioned behavior, and long-term synaptic plasticity (see Chapters 8, 25, and 26).

بسیاری از ژن‌هایی که رونویسی آنها توسط CREB تنظیم می‌شود، شناسایی شده‌اند. ژن‌های حساس به CREB شامل ژن اولیه‌ی فوری، c-fos (به پایین مراجعه کنید)، نوروتروفین BDNF به فصل ۲۳ مراجعه کنید)، آنزیم تیروزین هیدروکسیلاز (که برای سنتز انتقال‌دهنده‌های عصبی کاتکول‌آمین مهم است؛ به فصل ۶ مراجعه کنید) و بسیاری از نوروپپتیدها (از جمله سوماتوستاتین، انکفالین و هورمون آزادکننده‌ی کورتیکوتروپین) هستند. همچنین تصور می‌شود که CREB واسطه‌ی تغییرات طولانی‌مدت در عملکرد مغز است. به عنوان مثال، CREB در یادگیری فضایی، حساسیت رفتاری، حافظه‌ی طولانی‌مدت رفتار شرطی‌شده با بو و انعطاف‌پذیری سیناپسی طولانی‌مدت نقش دارد (به فصل‌های ۸، ۲۵ و ۲۶ مراجعه کنید).

FIGURE 7.12 Transcriptional regulation by CREB. Multiple signaling pathways converge by activating kinases that phosphorylate CREB. These include PKA, Ca²⁺/calmodulin kinase IV, and MAPK. Phosphorylation of CREB allows it to bind co-activators (not shown in the figure), which then stimulate RNA polymerase to begin synthesis of RNA. RNA is then processed and exported to the cytoplasm, where it serves as mRNA for translation into protein.

شکل ۷.۱۲ تنظیم رونویسی توسط CREB. مسیرهای سیگنالینگ متعدد با فعال کردن کینازهایی که CREB را فسفریله می‌کنند، به هم می‌رسند. این مسیرها شامل ⁺PKA، Ca²/کالمودولین کیناز IV و MAPK هستند. فسفوریلاسیون CREB به آن اجازه می‌دهد تا به فعال‌کننده‌های کمکی (که در شکل نشان داده نشده‌اند) متصل شود، که سپس RNA پلیمراز را برای شروع سنتز RNA تحریک می‌کنند. سپس RNA پردازش شده و به سیتوپلاسم صادر می‌شود، جایی که به عنوان mRNA برای ترجمه به پروتئین عمل می‌کند.

Nuclear receptors. Nuclear receptors for membrane-permeant ligands also are transcriptional activators. The receptor for glucocorticoid hormones illustrates one mode of action of such In the absence of glucocorticoid hormones, the receptors are located in the cytoplasm. Binding of glucocorticoids causes the receptor to unfold and move to the nucleus, where it binds a specific recognition site on the DNA. This DNA binding activates the relevant RNA polymerase complex to initiate transcription and subsequent gene expression. Thus, a critical regulatory event for steroid receptors is their translocation to the nu- cleus to allow DNA binding.

• گیرنده‌های هسته‌ای. گیرنده‌های هسته‌ای برای لیگاندهای غشایی نیز فعال‌کننده‌های رونویسی هستند. گیرنده هورمون‌های گلوکوکورتیکوئیدی یکی از روش‌های عمل چنین گیرنده‌هایی را نشان می‌دهد. در غیاب هورمون‌های گلوکوکورتیکوئیدی، گیرنده‌ها در سیتوپلاسم قرار دارند. اتصال گلوکوکورتیکوئیدها باعث می‌شود که گیرنده باز شود و به هسته منتقل شود، جایی که به یک جایگاه تشخیص خاص روی DNA متصل می‌شود. این اتصال به DNA، کمپلکس RNA پلیمراز مربوطه را فعال می‌کند تا رونویسی و بیان ژن بعدی را آغاز کند. بنابراین، یک رویداد تنظیمی حیاتی برای گیرنده‌های استروئیدی، انتقال آنها به هسته برای اتصال به DNA است.

The receptor for thyroid hormone (TH) illustrates a second mode of regulation. In the absence of TH, the receptor is bound to DNA and serves as a potent repressor of transcription. Upon binding TH, the receptor undergoes a conformational change that ultimately opens the promoter for polymerase binding. Hence, TH binding switches the receptor from being a repressor to being an activator of transcription. Several hormones regulate gene expression via such nuclear receptors.

گیرنده هورمون تیروئید (TH) حالت دوم تنظیم را نشان می‌دهد. در غیاب TH، گیرنده به DNA متصل می‌شود و به عنوان یک مهارکننده قوی رونویسی عمل می‌کند. پس از اتصال TH، گیرنده دچار تغییر ساختاری می‌شود که در نهایت پروموتر را برای اتصال پلیمراز باز می‌کند. از این رو، اتصال TH گیرنده را از یک مهارکننده به یک فعال‌کننده رونویسی تبدیل می‌کند. چندین هورمون بیان ژن را از طریق چنین گیرنده‌های هسته‌ای تنظیم می‌کنند.

• c-fos. A different strategy of gene regulation is apparent in the function of the transcriptional activator protein c-fos. In resting cells, c-fos is present at a very low concentration. Stimulation of the target cell causes c-fos to be synthesized, and the amount of this protein rises dramatically over 30 to 60 minutes. Therefore, c-fos is considered to be an immediate early gene because its synthesis is directly triggered by the stimulus. Once synthesized, c-fos protein can act as a transcriptional activator to induce synthesis of second-order genes. These are termed delayed response genes because their activity is delayed by the fact that an immediate early gene—c-fos, in this case—must be activated first.

• c-fos. یک استراتژی متفاوت تنظیم ژن در عملکرد پروتئین فعال‌کننده رونویسی c-fos آشکار است. در سلول‌های در حال استراحت، c-fos در غلظت بسیار کمی وجود دارد. تحریک سلول هدف باعث سنتز c-fos می‌شود و مقدار این پروتئین طی 30 تا 60 دقیقه به طور چشمگیری افزایش می‌یابد. بنابراین، c-fos به عنوان یک ژن اولیه فوری در نظر گرفته می‌شود زیرا سنتز آن مستقیماً توسط محرک آغاز می‌شود. پروتئین c-fos پس از سنتز می‌تواند به عنوان یک فعال‌کننده رونویسی برای القای سنتز ژن‌های مرتبه دوم عمل کند. اینها ژن‌های پاسخ تأخیری نامیده می‌شوند زیرا فعالیت آنها به این دلیل به تأخیر می‌افتد که ابتدا یک ژن اولیه فوری – در این مورد c-fos – باید فعال شود.

Multiple signals converge on c-fos, activating different transcription factors that bind to at least three distinct sites in the promoter region of the gene. The regulatory region of the c-fos gene contains a bind- ing site that mediates transcriptional induction by cytokines and ciliary neurotropic factor. Another site is targeted by growth factors such as neurotrophins through ras and protein kinase C, and a CRE/CaRE that can bind to CREB and thereby respond to cAMP or calcium entry resulting from electrical activity. In addition to synergistic interactions among these c-fos sites, transcriptional signals can be integrated by con- verging on the same activator, such as CREB.

سیگنال‌های متعدد روی c-fos همگرا می‌شوند و فاکتورهای رونویسی مختلفی را فعال می‌کنند که حداقل به سه جایگاه مجزا در ناحیه پروموتر ژن متصل می‌شوند. ناحیه تنظیمی ژن c-fos حاوی یک جایگاه اتصال است که واسطه القای رونویسی توسط سیتوکین‌ها و فاکتور نوروتروپیک مژگانی است. جایگاه دیگری توسط فاکتورهای رشدی مانند نوروتروفین‌ها از طریق ras و پروتئین کیناز C هدف قرار می‌گیرد و یک CRE/CaRE که می‌تواند به CREB متصل شود و در نتیجه به cAMP یا ورود کلسیم ناشی از فعالیت الکتریکی پاسخ دهد. علاوه بر تعاملات هم‌افزایی بین این جایگاه‌های c-fos، سیگنال‌های رونویسی می‌توانند با همگرایی روی یک فعال‌کننده مشابه، مانند CREB، ادغام شوند.

Nuclear signaling events typically result in the generation of a large and relatively stable complex composed of a functional transcriptional activator protein, additional proteins that bind to the activa- tor protein, and the RNA polymerase and associated proteins bound at the start site of transcription. Most of the relevant signaling events act to “seed” this complex by generating an active transcriptional activator protein by phosphorylation, by inducing a conformational change in the activator upon ligand binding, by fostering nuclear localization, by removing an inhibitor, or simply by making more activator protein.

رویدادهای سیگنالینگ هسته‌ای معمولاً منجر به تولید یک کمپلکس بزرگ و نسبتاً پایدار متشکل از یک پروتئین فعال‌کننده رونویسی عملکردی، پروتئین‌های اضافی که به پروتئین فعال‌کننده متصل می‌شوند و RNA پلیمراز و پروتئین‌های مرتبط متصل به محل شروع رونویسی می‌شوند. اکثر رویدادهای سیگنالینگ مربوطه با تولید یک پروتئین فعال‌کننده رونویسی فعال از طریق فسفوریلاسیون، با القای تغییر ساختاری در فعال‌کننده پس از اتصال لیگاند، با تقویت محلی‌سازی هسته‌ای، با حذف یک مهارکننده یا به سادگی با ساخت پروتئین فعال‌کننده بیشتر، به عنوان “بذر” این کمپلکس عمل می‌کنند.

Examples of Neuronal Signal Transduction

Understanding the general properties of signal transduction processes at the plasma membrane, in the cytosol, and in the nucleus makes it possible to consider how these processes work in concert to mediate specific functions in the brain.