Rakutuum (0)

Rakutuum

Rakutuum esineb ainult eukarüootsetes rakkudes. Üks suurematest organellidest (5-25 µm). Ümbritsetud kahekordse membraaniga nn tuumaümbrisega. Välimine membraan on sageli seotud ER membraaniga ja kahe membraani vaheline ruum on ER luumeni jätkuks. Tuumamembraanid koosnevad lipiidsest kaksikkihist, milles esinevad teatud tüüpi valgud . Tuumas on eristatav tuumakese piirkond. Tuuma sisemist osa, mis ei ole tuumake , nimetatakse nukleo - e. karüoplasmaks. Tuuma struktuur ja koostis on määratud tuuma funktsioonidega. Tuumas paikneb DNA ja toimub DNA replikatsioon . Tuumas paikneval DNA-l sünteesitakse mRNA, tRNA, rRNA, samuti toimub tuumas ribosoomide subühikute teke. mRNA, tRNA ja ribosoomide subühikud peavad liikuma tuumast tsütoplasmasse. Tsütoplasmast tuuma peavad liikuma tsütoplasmas sünteesitud valgud ( histoonid , regulaatorvalgud, DNA ja RNA polümeraasid jt) Seega läbi tuuma membraani peavad liikuma kõrgmolekulaarsed ühendid ja tuuma membraan peab omama transpordiks sobivaid struktuure. Kõrgmolekulaarsete komplekside transport toimub läbi tuumamemraanis paiknevate pooride, diameetriga ~10nm. Ühe tuuma membraanis võib olla tuhandeid poore. Poorid on keerulise ehitusega ja moodustunud nn. tuuma poori kompleksi (NPC) poolt. Tuuma poori kompleksi valke nim nukleoporiinideks, neid on ühes kompleksis kuni 100 erinevat valku. Seetõttu tuuma kompleksi suurus on mitu miljonit daltonit. Läbi tuuma poori toimub transport nii sisse kui välja. Väikesed vees lahustuvad molekulid, kaasa arvatud keskmise suurusega valgud ( 40 kDa) saavad difundeeruda läbi veega täidetud pooride NPC seina ja keskmise ‘korgi’ vahel ja ei vaja aktiivset transporti. Suuremad valgu molekulid (60kDa) ja kompleksid nukleiinhapetega liiguvad läbi ‘korgi’ aktiivse transpordi teel retseptorite vahendusel. Tuumaümbrise struktuur on tagatud intermediaarsete filamentide poolt, mis paiknevad sisemise membraani karüoplasma poolsel küljel (nn tuuma lamiinid ). Tuuma välismembraani ümber paikneb vähem korrapärane filamentide võrgustik.

DNA struktuur tuumas ja kromosoomide ehitus

Genoomi suurus

DNA hulk haploidses eukarüootses kromosoomis (C väärtus) on 107- 1011bp. Inimese genoom on keskmise suurusega 3x109bp. Kuigi tavaliselt kompleksemate organismide genoom on suurem, see seaduspärasus alati ei kehti. Näiteks kahepaiksete genoom on ~50x suurem kui inimesel. Seda nim C-paradoksiks.
Geen on defineeritud kui DNA ( viirustes ka RNA) nukleotiidide järjestus mis on vajalik funktsionaalse valgu sünteesimiseks. Koosneb mitte ainult kodeerivatest piirkondadest vaid ka regulaatorpiirkondadest, mis võivad kodeerivast osast kaugel paikneda ja samuti pre-mRNA protsessingut võimaldavatest piirkondadest. Esinevad ka geenid , mis ei kodeeri valku, näiteks tRNA, rRNA geenid.
Geenide suurus varieerub . Inimese keskmise geeni suurus on ~27000 DNA aluspaari (Abeles tabel 4-1 lk.202). Eukarüootse raku geenid sisaldavad mittekodeerivaid piirkondi mida nim introniteks, need piirkonnad pre-mRNA protsessimisel lõigatakse välja, toimub nn splicing. Kodeerivaid piirkondi nim eksoniteks. Geeni otstes paiknevad mittekodeerivad DNA alad on vajalikud geeni transkriptsiooniks. 5’ otsas on transkriptsiooni regulatsiooni piirkond, 3’ otsas on järjestused mis on vajalikud mRNA modifitseerimiseks, samuti stop koodonid ja täiendavad regulaatorelemendid. Sageli on raske määrata, kus ühe geeni 3’ ots lõpeb ja järgmise geeni 5’ ots algab. Õpikute tekstis sageli geeni all mõistetakse ainult DNA kodeerivat piirkonda mis transkribeeritakse mRNA-ks. Erinevate ühe pre-mRNA splicing’u võimaluste esinemine teeb geeni defineerimise veel keerukamaks. Suurim inimese geen on düstrofiini (lihasrakkude valk) geen, sisaldab 2,4 milj aluspaari.
Geenide arv genoomis Arabidopsis ’el on ~20 000, inimesel 27000-32000.
Need arvud näitavad, et enamik DNA-st tuumas ei ole transkribeeritav (vastavat mRNA-d ei sünteesita). Näiteks taimede Arabidopsis thaliana genoomi suurus on ~7x107 aluspaari, Fritillaria assyriaca 1011 bp, aga cDNA (mRNA-lt pöördtranskriptaasiga saadud DNA) suurus on peaaegu ühesugune. See näitab, et mõlemad genoomid kodeerivad sama arvu geene kuigi genoomi suurus erineb neli suurusjärku. Järelikult erinevus genoomi suuruses põhineb mittekodeerivatel korduvatel DNA järjestustel. (50% maisi genoomist on retrotransposoonid). Inimese haploidne genoom sisaldab ~3,2x109 aluspaari, mis on jaotatud 23 kromosoomi vahel. Keskmine kromosoomi pikkus ~108 bp. Suurem osa tuuma DNA-st on vajalik kromosoomide ja genoomi struktuuri tagamiseks, aga mitte valkude kodeerimiseks . Kui intronid kodeerivast DNA-st välja arvata, siis mittekodeeriv on tavaliselt üle 90% DNA-st Maisil on kodeeriv osa ~1% genoomist. Regulaatorvalke kodeerivate geenide osa moodustab eukarüootides ligikaudselt 10-15% kogu geenide arvust.

Eukarüootse DNA klassifikatsioon

Kodeeriv DNA

• üksikgeenid (võib esineda ainult üks koopia, 25-30% valku kodeerivate geenide arvust).
  
• duplitseerunud ja divergeerunud geenid, 50% valku kodeerivate geenide arvust. (Duplitseerunud geenid, mis kodeerivad valgud sarnase, aga mitte identse aminohappelise koostisega nim geenide perekonnaks (Näit. Immunoglobuliinid, proteiini kinaasid , müosiini rasked ahelad jt)
  
• Tandeemselt (üksteise järel) korduvad geenid rRNA, tRNA ja histoonide sünteesiks. Produktid vajalikud suures hulgas.
  

Korduvjärjestustega (ingl repetitive) DNA (osaliselt kodeeriv)

Suures hulgas teatud korduvaid DNA järjestusi sisaldavad piirkonnad

• kõrgelt korduvad järjestused DNA lihtjärjestused (ingl simple sequence DNA)–paiknevad kromosoomide tsentromeerides ja telomeerides tandeemselt üksteise järel (= satelliit -DNA)
  
• Mõõdukalt korduv DNA (= mobiilsed DNA elemendid, dispergeerunud DNA) paiknevad genoomis hajali
  

Transposoonid (Transpositsioon toimub DNA vahendusel)
Viiruste retrotransposoonid (Transpositsioonis osaleb RNA)
Mitteviiruslikud retrotransposoonid (Transpositsioonis osaleb RNA)
Pikad dispergeerunud elemendid (LINE-d -long interspersed
elements 6-7kb)
Lühikesed dispergeerunud elemendid (SINE-d 100-500 bp)
Mittekodeeriv DNA (geenide regulaatorpiirkonnad, intronid, geenidevaheline DNA)
Enamik kõrgkorduvast DNAst koosneb tandeemselt üksteisele järgnevatest identsetest 5-10 aluspaari sisaldavatest järjestustest. Esinevad ka pikad tandemid 20-200 aluspaari. Kogupikkus kuni 105 bp. Nimetatakse satelliit- DNAks, sest eraldub muust DNAst tihedusgradiendis tsentrifuugimisel kuna sisaldab rohkem AT kui ülejäänud DNA (taimedes GC aluseid). On lokaliseerunud tsentromeerides ja telomeerides (kromosoomide otsad ) ja seotud heterokromatiiniga.
Tsentromeer on DNA piirkond, millega on seotud valguline kompleks kinetohoor ja mitoosivärtna mikrotorukesed . Sisaldab kindlaid korduvaid elemente (~170bp) tandeemses järjestuses, need elemendid võivad korduda tuhandeid kordi . Mutatsioonid selles piirkonnas takistavad mikrotorukeste seostumist kromosoomidega. Tsentromeeri ülesandeks on hoida õdekromatiide koos mitoosi anafaasini (samuti meioosi teise jagunemise anafaasini). Tsentromeeri DNA-ga on seotud mitmed valgud (CNPA, CNPB jt), mis võimaldab kinetohoori teket ja seostumist.
Telomeer on struktuur, mis paikneb kromosoomide otstes. Sisaldab 6-8 aluspaari sisaldavaid korduvjärjestusi, mis on kõrgelt konserveerunud nii järjestuse kui ka struktuuri järgi. Inimese kromosoomides on ~2000 kordust
TTAGGG (5’ 3’)
Telomeerid hoiavad erinevate kromosoomide otsad omavahelise interakteerumise eest. (Eukarüootide iga kromosoom sisaldab ühe lineaarse DNA kaksikheeliksi, mitte tsükliseerunud DNA nagu prokarüootides.) Telomeerid seovad kromosoomid tuuma lamiinidega rakutuuma ümbrises. Samuti on telomeer seotud rakujagunemiste arvu kontrolliga.
DNA igal replitseerumisel rakutsüklis uus sünteesitud DNA on umbes 100 bp lühema telomeeriga. Selle põhjuseks on asjaolu, et DNA mahajääva (ingl lagging) ahela sünteesil Okazaki fragmentidena 5’ ots ei saa olla täispikkusega, sest kromosoomi lõpus ei ole kohta RNA primeri sünteesiks viimase Okazaki fragmendi jaoks. Seega umbes 100 mitootilise jagunemise järel telomeer on kadunud. Edasisel DNA replitseerumisel lähevad kaotsi geenid alates kromosoomi otstest .Kui vastsündinu rakud viia rakukultuuri kunstlikku toitekeskkonda, siis sellised rakud jagunevad umbes 100 korda ja siis surevad. Kui võtta rakud täiskasvanud ~ 60 a vanuselt inimeselt, siis rakud jagunevad ehk paarkümmend korda ja siis surevad. Seega telomeer määrab rakujagunemiste arvu ja rakuliini eluea. Kadunud telomeeriga DNA tuntakse ära kui kahjustatud DNA ja raku jagunemine pärsitakse või rakk siseneb apoptoosi. Arvatakse, et see on ka kontrollmehhanismiks rakkude ülemäärase jagunemise vältimisel.
Samas on teada, et osa rakke on praktiliselt surematud – võivad poolduda lõpmatu arv kordi. Sellised on näiteks

• gameete produtseerivad haploidsed rakud
  
• tüvirakud (näit vereloome tüvirakud luuüdis)
  
• üherakulised eukarüoodid
  
• osa vähirakkudest
  

On leitud, et sellistel rakkudel telomeer säilub ensüüm telomeraasi abil. Telomeraas on kompleks valgust ja RNAst. Lisab nukleotiide DNA ahela 3’ otsale, komplementaarselt telomeraasi RNA nukleotiidse koostisega (AAUCCC). Telomeeri DNA sünteesil on matriitsiks RNA, seega telomeraas on pöörd-transkriptaas. Rakkudes, mis peavad organismis pidevalt jagunema (tüvirakud), on aktiivne telomeraas, et vältida telomeeride lühenemist. Aktiivse telomeraasi sisestamine rakukultuuri ei muuda rakke kasvajarakkudeks (säilub kontaktne pidurdus). Seega telomeraasi aktiivsuse esinemine otseselt ei muuda rakke kasvajarakkudeks.
Mõõdukalt korduvad järjestused (=mobiilne DNA=transposonid) pikkus on mõned sajad kuni tuhanded aluspaarid. Esinevad laialipillatult kogu genoomi ulatuses. Avastati eukarüootidel, aga esinevad ka prokarüootidel.
Transposonid on DNA segmendid , mis võivad liikuda genoomis ühest piirkonnast teise ühe kromosoomi piirides, samuti erinevate kromosoomide vahel. Seetõttu nimetatakse ka hüppavateks geenideks. Tekitavad nn saidispetsiifilisi rekombinatsioone. Põhjustavad nendes geenides, kuhu nad sisse lülituvad, mutatsioone .
Protsessi, mille vältel mobiilsed elemendid kopeeritakse (või lõigatakse välja) ja sisestatakse genoomi uude kohta nim transpositsiooniks. Iga mobiilne element kodeerib ensüüme, mis teostavad transpositsiooni, tundes ära lühikesed spetsiifilised DNA järjestused, mis esinevad mobiilse elemendi külgedel. Enamik liikuvaid elemente liigub harva, keskmiselt üks kord iga 105 raku generatsiooni kohta ja seetõttu sageli on raske mobiilset elementi eristada kromosoomi mitteliikuvast DNA-st.
Vastavalt struktuurile ja transpositsiooni mehhanismile esineb kahte tüüpi liikuvaid elemente:

• transposoonid. Transpositsioon toimub DNA vahendusel. Kirjeldas B. McClintock 1940. ( Nobel ’i preemia 1983). Maisil esinevad mutatsioonid antotsüanidiinide sünteesis, mis avaldusid tõlvikute terade punase värvuse kadumises. Osa selliseid mutatsiooone olid kiiresti kaduvad , st terad muutusid jälle punasteks. Punase värvi kadumist põhjustab transposon Ac-Ds. Transposoonid sisaldavad 1-2 geeni (bakteritel tavaliselt mingi antibiootikumiresistentsuse geen, eukarüootidel introneid sisaldavad geenid). Transposonid sisaldavad ka transposaasi geeni. Transposaas lõikab elemendi välja ja seob transposooni uude sihtkohta DNA-s, st transpositsioon toimub cut- paste meetodil. (heterodupleks ei moodustu, pole vajalik transposooni tiibade ja insertsioonikoha nukleotiidse järjestuse homoloogsus) Samuti on võimalik elemendi kopeerimine ja uude kohta lülitamine ( copy -paste meetod) Umbes pool spontaansetest mutatsioonidest Drosophila ’l on põhjustatud mobiilsete elementide sisenemisest, millest suurem osa on retrotransposoonid aga mõned ka transposoonid. Pro- ja eukarüootide transposoonid ei erine oluliselt oma struktuurilt , koostiselt ja transpositsiooni mehhanismilt. Prokarüootidele on iseloomulikud peamiselt transposonid, mitte retrotransposonid.
  
• retrotransposoonid. Liiguvad genoomis copy-paste viisil, kuid erinevalt transposoonidest koopia ei tehta mitte DNA-lt vaid RNA-lt. Retrotransposoonide transpositsioon on RNA-st vahendatud. Viiruslikud retrotransposoonid on sarnased vähkitekitavate RNA viiruste, retroviiruste, struktuuriga. Sisaldavad pöördtranskriptaasi geeni. Retrotransposoonide paljunemisel DNA piirkonnal sünteesitakse mRNA, sellel tekib translatsiooni protsessis pöördtranskriptaas. Pöördtranskriptaasi toimel sünteesitakse cDNA, mis lülitub integraasi toimel uude genoomi kohta ja vanasse kohta jääb geen samuti alles. Seega retrotransposoonid sisaldavad lisaks pöördtranskriptaasile ka integraasi (sama funktsioon mis transposaasil transposonides) ja Gag valgu geeni (viirustes osaleb viirusosakese struktuuri moodustamises), mis on mõlemalt poolt piiratud terminaalsete kordustega. Terminaalsetes kordustes esinevad lühikesed osad (5-10 bp), mis esinevad kõikidel transposoonidel, samuti 250-600bp pikad kordused (ingl long terminal repeats , LTR). Seega retroviirused võiksid olla transposoonid, mis on omandanud viiruste kesta valku kodeerivad geenid (või vastupidi). Mitteviiruslikud retrotransposoonid on varieeruva pikkusega, LTR puuduvad, täispikk koopia sisaldab pöördtranskriptaasi geeni. Näiteks maisi retrotransposoon Mu (mutator) paljuneb nii kiiresti, et genoom muteerub ~50 korda sagedamini kui ilma selle retrotransposoonita genoom. Kõik seni uuritud eukarüoodid sisaldavad retrotransposone. Imetajates peamiselt mitteviiruslikud, pärmides ja Drosophilaś peamiselt viiruslikud.
  

~45% inimese genoomist koosneb retrotransposoonidest. Esineb ~ 60000 koopiat LINE (ingl long interspersed nuclear element) tüüpi L1, moodustab ~15% genoomist. LINE-d on pikad (~5000bp) DNA järjestused mis kujutavad endast RNA polümeraas II poolt tekkinud mRNA pöördtranskribeeritud molekule. Seega on ilma introniteta ja promootoriteta ja seetõttu need geenid ei ekspresseeru = pseudogeenid ja elemendid ei liigu. Mõnedel on säilunud liikumisvõime (kodeerivad funktsionaalse pöördtranskriptaasi ja/või integraasi) ja võimaldavad pseudogeenide liikumist. Lülitumine näiteks verehüübimist kontrollivate geenide sisse põhjustab teatud hemofiilia vormi.
SINE-d on lühikesed DNA järjestused (100-500bp) mis on pöördtranskribeeritud RNA polümeraas III vahendusel tekkinud tRNA, 5S rRNA-lt. Kõige levinumad SINE-d on nn Alu elemendid. Inimese genoomis on neid umbes miljon koopiat ja nad moodustavad 11% genoomist. Ei kodeeri funktsionaalseid molekule. On signaali äratundva partikli (SRP) koostisesse kuuluva RNA pöördtranskriptid. (SRP osaleb sekreteeritavate valkude sünteesil karedapinnalisel ER-il)

Transposoonide tähtsus

On mutageenid, st tekitavad mutatsioone, sest

• sisenemine geeni võib selle muuta inaktiivseks/aktiivseks
  
• transposooni eemaldumise piirkonda jäänud lõhe võib tekitada mutatsiooni ka selles geenis
  

LINE ja SINE tekkelised geneetilised haigused on teatud hemofiilia vormid, Duchenne lihasdüstroofia, porfüüria (heemi sünteesi defektid ) jt.
Kas transposoonid võivad olla kasulikud?
Oletused:

• osalevad geenide ekspresseerumise regulatsioonis, sest mõjutatavad arenguliste ja keskkonna signaalide poolt.
  
• Tagavad parema kohastumise evolutsioonis , põhjustades geenide duplitseerumist (DNA hulga suurenemist) ja DNA ümberkorraldusi – inimese globiini geen on tekkinud  globiini geenist L1 elementide krossingoveris
  
• Ei oma funktsiooni – eksisteerivad iseenese alalhoidmiseks (LINE ja SINE funktsioonid on teadmatud)
  

On teada, et telomeraas on sarnane LINE pöördtranskriptaasiga ja ilmselt sellest moodustunud.
Erineva kordusastmega DNA osade jaotus inimese genoomis on joonisel 4-17 (Alberts)

DNA struktuur

DNA pikkus (E. coli 1mm) on tavaliselt tuhandeid kordi suurem raku (E.coli 2m) pikkusest. See näitab, et DNA rakus peab olema teatud viisil kokku pakitud.

DNA struktuur prokarüootses rakus

Bakterite ainus DNA molekul on rõngas (nähtav rõngakujulisena elektronmikroskoobis autoradiograafiliselt kui tümidiin märgitud triitiumiga, geneetiline analüüs samuti näitab, et iga geen on mõlemilt küljelt ümbritsetud teiste geenidega). Kokkupakkimist võimaldab asjaolu, et DNA koostises olevate negatiivsete fosforhappejääkide tõukumine on välditud seostumisel positiivselt laetud polüamiinidega:
Spermiin H3N+ - (CH2)3 – N+H – (CH2)4 – N+H – (CH2)3 – N+H3
Spermidiin H3N+ - (CH2)4 – N+H – (CH2)3 – N+H3
Fosforhappe jääkide negatiivne laeng neutraliseerub ka seostumisel madalamolekulaarsete valgu molekulide positiivselt laetud rühmadega, mis võimaldavad seega DNA kompaktsema struktuuri teket. Selline valk on näiteks H-NS (homodimeer kahest 15,6 kDa valgust). E. coli DNAga on seotud ~20 000 sellist dimeeri.

DNA struktuur eukarüootidel

Eukarüootses rakus DNA on jaotunud erinevate kromosoomide vahel. Inimese somaatilises rakus on 2x23 kromosoomi, neist 2 on nn sugukromosoomid .
Diploidne maisi rakk sisaldab 1010 bp st ~10m DNA. See DNA peab mahtuma raku tuumasse, mille diameeter on ~10 µm. Seega DNA peab olema kokku keerdunud ilma molekuli katkemiseta, aga samal ajal peab säiluma tema kättesaadavus replikatsioonile, geenide ekspressioonile ja mRNA sünteesile. Seega DNA struktuur peab olema dünaamiline. Mitootiliste kromosoomide struktuur on veel kompaktsem kui interfaasse kromosoomi struktuur.
Kromosoomide struktuur tagatakse samuti nagu prokarüootides DNA seostumisega erinevate valkudega. Moodustunud nukleoproteiidset kompleksi nimetatakse kromatiiniks. Suurema osa DNAga seotud valkudest moodustavad histoonid. Histoonid on aluselise iseloomuga valgud (sisaldavad palju DNA fosforhappejääkidega seostuvaid positiivselt laetud aminohappeid - Arg, Lys), mis on jaotatud viide rühma – H1, H2A, H2B, H3, H4. H2A, H2B, H3, H4 Histoonide aminohappeline koostis ja järjestus on väga sarnane kõigis eukarüootides, mis näitab, et kromatiini struktuur formeerus evolutsioonis väga varakult. H1 aminohappeline koostis erinevates organismide rühmades varieerub rohkem (lindudes näit H5). Histoonide hulk rakkudes on väga suur – keskmiselt 60 milj. iga erinevat histooni tüüpi. Kui DNA eraldada rakkudest madala ioonse jõu tingimustes (lahjad puhverlahused ), siis elektronmikroskoobis on nähtav pärlitega kaelakee taoline struktuur. Pärleid nim. nukleosoomideks. Nukleosoomide läbimõõt on ~10nm ja nad koosnevad histoonidest ja nende ümber keerdunud DNA lõigust. Nukleosoomide vahele jäävad ilma histoonideta DNA lõigud.
* Nukleosoomid on kõige madalam (esimene) DNA kondensatsiooni aste.(põhjustab DNA ahela lühenemist ~3 korda)
Nukleosoomi ehitus:
Oktameerne histoonide kompleks – igat histooni (H2A, H2B, H3, H4) 2 molekuli
Histoonide kompleksi ümber on keerdunud DNA ahel pikkusega ~146 aluspaari. Nukleosoomi diameeter 10 nm. Nukleosoomide vahel paikneva DNA ahela pikkus varieerub rohkem – 15-55 aluspaari, taimedel 20 – 200 aluspaari. H1 histoon seostub DNAga väljaspool nukleosoomi. H1 funktsiooniks on stabiliseerida nukleosoomne struktuur, aga samuti kõrgemad DNA kondenseerumise tasandid. Et nukleosoomide struktuur tekiks, on vajalikud täiendavad valgud, mis seovad histoonid ja ühendavad need DNAga.
Esinevad täiendavad DNA kondenseerumise tasandid. Rakkude interfaasis (periood mitooside vahel) eraldatud DNA esineb 30 nm diameetriga ahelatena e solenoididena. Selline struktuur tekib nukleosoomse pärlinööri spiraliseerumisel. Spiraali igal keerul on 6 nukleosoomi. H1 molekulid (üks iga nukleosoomi kohta) paiknevad spiraali keeru sees. Oletatakse, et lisaks H1 histoonile osalevad solenoidi struktuuri tekkes ka nukleosoomide histoonide väljaulatuvad N terminaalsed otsad. Sellist struktuuri nim. kondenseerunud kromatiiniks.
Kuidas on reguleeritud DNA struktureeritus?
Et saaks toimuda DNAlt teatud geenide transkriptsioon (RNA polümeraasi seostumine), peab DNA lahti keerduma.
Nukleosoomi koostisesse kuuluvate histoonimolekulide aminoterminaalne ots (20-40 aminohapet) ulatub nukleosoomist välja. Selle koostises on palju Lys jääke, mis seostuvad DNA fosforhappejääkidega või naabernukleosoomidega. Kui teatud asendis paiknevad Lys jäägid atsetüleerida (liita äädikhappe jääk CH3COO -), siis kaob nende positiivne laeng ja sidemed DNA-ga ei saa moodustuda ja kromatiin ei kondenseeru. Seega kromatiini kondenseerumine ja dekondenseerumine on reguleeritud histoonide aminoterminaalse otsa Lys jääkide atsetüleerimise ja deatsetüleerimisega. Atsetüülumist viivad läbi histoonide atsetüüli transferaasid (HAT). Samasuguse toimega võivad olla Lys jääkide metüülumine ja Ser jääkide fosforüülumine. Lisaks on teada, et esinevad erinevad nn kromatiini remodelleerivad kompleksid, mis ATP hüdrolüüsi kasutades ajutiselt muudavad nukleosoomide struktuuri ja DNA seostub nõrgemalt.
Atsetüülumata (kondenseerunud) kromatiin on vähem alluv hüdrolüüsile DNAaas I poolt.
Aktiivsed geenid on tundlikumad DNAaas I-le – esinevad nn ülitundlikud piirkonnad, mis arvatakse olevat ilma nukleosoomideta ja DNA lahti keerdunud ja kättesaadavam transkriptsioonile. Tundlikud piirkonnad vastavad seega geeni regulaatorpiirkondadele.
Teatud Lys jääkide metüülumine H3-s tuntakse ära spetsiifiliste valkude poolt mis põhjustab eriti kompaktse DNA struktuuri tekke ja geenide vaigistamise (silencing)
Kromosoomide ehitus.
Kui rakk läheb interfaasist mitoosi, siis rakus olev kromatiin muutub nähtavaks valgusmikroskoobis kromosoomidena. Seega mitoosis peab kromatiini struktuur muutuma veel kompaktsemaks kui see esineb kondenseerunud interfaasses kromatiinis.
Kromosoomide struktuuri kirjeldamiseks sobivad kõige rohkem mitoosi metafaasis asuvad kromosoomid (maksimalselt struktureerunud). Koosnevad kahest õdekromatiidist (kumbki neist koosneb DNA kaksikheeliksist), sest rakutsükli S-faasis on DNA replitseerunud (4n). Õdekromatiidid on ühendatud tsentromeeriga. Tsentromeer on mitmeid tuhandeid aluspaare sisaldav DNA järjestus mille vahendusel õdekromatiidid on seotud. Tsentromeeri piirkonnas esinevad kõrgelt korduvad DNA järjestused.
Metafaasis olevate kromosoomide arv, suurus ja kuju moodustavad karüotüübi, mis on igale liigile iseloomulik.
Kromosoomide kondenseerumises on olulised mittehistoonsed valgud. Moodustavad kromosoomi kujulised tellingud, millele kinnituvad 30 nm DNA-histoonid kompleksi ( solenoid ) lingud (9-35 lk.326). DNA piirkondi, mis seostuvad mittehistoonsetest valkudest tellinguga nim. tellingutega seotud piirkondadeks SAR (scaffold-associated regions ) või maatriksiga seotud piirkondadeks (ingl matrix attachment regions MAR). SAR paikneb transkriptsiooniühikute vahel st geenid paiknevad kromatiini lingudes. Lingude pikkus 200 – 1000 bp. Kromosoomide mitootilise struktuuri tekkes osalevad erilised valgulised kompleksid, mida nim kondensiinideks. Kondensiinide koosseisu kuuluvad SMC valgud – dimeersed molekulid, millede vabad otsad osalevad kromatiiniga seostumises ja hüdrolüüsivad ATP (4-56 Alberts).
Täiendav tellingute-DNA kompleksi spiraliseerumine annab metafaassete kromosoomide struktuuri ja põhjustab DNA lühenemist umbes 10 korda.

Heterokromatiin ja eukromatiin

Kui mitoos on läbitud, siis kromosoomid dekondenseeruvad ja muutuvad nähtamatuks va mõningad piirkonnad värvimisel (näit. Giemsa järgi) jäävad selgesti nähtavateks ja on nähtavad ka elektronmikroskoobis tumedate piirkondadena. Selliseid piirkondi tugevasti kondenseerunud DNA-ga, mis sarnaneb kromosoomide DNA kondensatsiooni struktuurile, nimetatakse heterokromatiiniks. Dekondenseerunud, nõrgalt värvuvaid piirkondi nim. eukromatiiniks. Autoradiograafia triitiumiga märgitud uridiiniga näitab, et translatsioon toimub eukromatiinilt ja tuumakeses. Heterokromatiin paikneb tavaliselt tsentromeeride ja telomeeride piirkonnas, imetajate rakkudes seostub tuumamembraaniga lamiinide vahendusel. Selline heterokromatiin praktiliselt ei sisalda geene. Sisaldab kõrgelt korduvaid DNA järjestusi. Kuna heterokromatiin on kondenseerunud, nendelt DNA piirkondadelt ei toimu translatsiooni. Heterokromatiini asukoht ei ole kindlalt fikseeritud, ta on dünaamiline st DNA teatud piirkond võib omandada heterokromatiini struktuuri ja selle uuesti kaotada. Eksperimentaalselt on näidatud, et kui geen viia eukromatiini piirkonnast üle heterokromatiini, tema ekspresseerumist ei toimu, geen on vaigistatud. Heterokromatiini tekkes osalevad ülalkirjeldatud histoonide kovalentsed modifikatsioonid (deatsetüülumine, metüülumine). Arvatakse, et heterkromatiin võib olla kaitseks mobiilsete DNA elementide vastu. Heterokromatiinis sageli esinevad korduvad DNA järjestused (telomeeris, tsentromeeris). Üksteise järel esinevad mobiilsed DNA järjestused võivad tekitada heterokromatiini struktuuri ja selles piirkonnas olevad geenid on vaigistatud, ei ekspresseeru.
DNA kokkupakkimise tähtsust geenide ekspressiooni regulatsioonis ja fenotüübi kujunemises illustreerib nn X inaktivatsiooni näide.
Emaste imetajate kahest x kromosoomist üks kondenseerub (heterokromatiini struktuur) ja tema DNA ei ole transkribeeritav. (Sellega tagatakse geenide doosi võrdsus indiviidide vahel x kromosoom sisaldab rohkem kui 1000 geeni, y kromosoom vähem kui 100 geeni imetajatel). Kondenseerunud X kromosoom on nähtav tuuma membraani lähedal kompaktse struktuurina mida nim Barr ’i kehakeseks. Esineb kõikides somaatilistes rakkudes. X kromosoomi inaktiveerumine toimub embrüo arengu varajastel etappidel ja inaktiveeruda võib nii isa- kui ka emasorganismilt pärit kromosoom ja osades embrüo rakkudes on aktiivne isalt pärit X kromosoom, osades rakkudes emasorganismilt päritud X kromosoom. Seetõttu on ka täiskasvanud looma erinevad rakud sellise tunnuse suhtes, mille geen(id) esinevad X kromosoomis, erinevad. Rakud on mosaiiksed.
X inaktivatsioon toimub teatud geeni (XIST) transkribeerumisel selles kromosoomis. Suur RNA molekul ei transleeru valguks, jääb tuuma ja seostub kromosoomi DNA-ga ja takistab transkriptsiooni tekitades heterokromatiini struktuuri. Heterokromatiini struktuuri formeerumises on osalised ka muutused histoonides (hüpoatsetülatsioon).
X-inaktivatsioon võib mõjutada fenotüüpilisi tunnuseid. Sellest sõltub näiteks nn calico kasside värvuse muster. Calico kassid (ainult emased ) on kolmevärvilised – must, valge, oranzh. Oranzh laik tekib piirkonnas, kus on aktiivne X kromosoom oranzhi alleeliga. Must laik tekib piirkonnas, kus on aktiivne X kromosoom musta alleeliga jne.

Poorid tuumamembraanis ja kõrgmolekulaarsete komplekside transport

Kõrgmolekulaarsete komplekside transport toimub läbi tuumamemraanis paiknevate pooride Poorid on keerulise ehitusega ja moodustavad nn. tuuma poori kompleksi (NPC).

Tuuma poori kompleksi ehitus

Molekulmass ~125x106 Da (selgroogsetel) st 30x ribosoom . Moodustub 50 – 100 erinevast valgust. Neid valke nim nukleoporiinideks. Elektronmikroskoobis saadud piltide alusel on esitatud skeem. Kompleks koosneb subühikutest, mis moodustavad tsütoplasmaatilise rõnga tsütoplasma poolsel küljel ja nn tuuma rõnga tuuma sisemuse ( nukleoplasma ) poole orienteeritud küljel. Iga subühik rõngas nukleoplasma poolsel küljel on seotud 100 nm pika filamendiga, millede otsad on ühendatud terminaalse ringiga , nii et moodustub korvirõnga sarnane struktuur. NPC kompleksi pikkus on ~200 nm. Erinevate pooride kompleksid on omavahel seotud tuuma lamiinidega, mis muutuvad nähtavaks kui tuuma välis ja sisemembraan eemaldada detergentidega töötlemisel. Lamiinid koosnevad intermediaarsetest filamentidest, mis paiknevad tuuma sisemembraanil. Kahe tuuma membraani vahelist ala nim perinukleaarseks ruumiks.
NPC funktsioonid:
Teostada valikulist transporti tsütoplasma ja rakutuuma vahel. Tuumas sünteesitud erinevad RNAd peavad liikuma tsütoplasmasse ribosoomidele ja ribosoomidel sünteesitud valgud peavad liikuma tuuma et seal saaks toimuda mRNA, tRNA ja rRNA süntees. Seega NPC funktsioneerib kui väravaga varustatud kanal . Ioonid, madalmolekulaarsed ühendid ja valgud väiksemad kui 40 kDa difundeeruvad läbi veega täidetud kanalite NPCs (läbimõõt ~9). Suuremad valgud ja ribonukleoproteiinsed kompleksid transporditakse aktiivselt läbi tsentraalse korgi.
Millised faktid tõestavad valikulist transporti?
Kulla osakesed kaeti tuuma liikuva valguga (näiteks nukleoplasmiin, valk mis osaleb kromatiini assotsieerumises) kannuskonna ootsüütides, ja tuuma mitteliikuva valguga. Need kulla partiklid süstiti rakkudesse ja jälgiti kulla lokalisatsiooni. Nukleoplasmiiniga kaetud kuld leiti tuumas, mittenukleaarse valguga kaetud kuld ei liikunud tuuma.
Esimesed andmed RNA ekspordi kohta läbi tuumapooride pärinevad putuka Hironomous tentans vastsete süljenäärmete rakkudest. Produtseeritakse suurtes kogustes kindlat sekreteeritavat valku, mis liimib vastsed pinna külge. Selle valgu mRNA kompleks transportvalkudega (hn RNP – heterogeennne ribonukleoproteiin) on näha TEM fotodel (11-29 lk428,11-30 lk 429) liikumas läbi tuuma pooride ja seejuures lahti keerdumas. Tsütoplasmas mRNA seostub ribosoomidega ja algab valgu süntees.

Valkude transport tsütoplasmast tuuma

Tuuma struktuuri formeerumiseks ja tuumas toimuvate protsesside läbiviimiseks on vajalikud teatud valgud – lamiinide koostises olevad, histoonid, DNA ja RNA polümeraasid, DNA replikatsiooni ja transkriptsiooni faktorid , splaissingu valgud, hn NPR kuuluvad valgud, ribosoomide valgud, valgud mis liiguvad tsütoplasma ja tuuma vahel (eksportiin1, Ran jne). Intensiivse DNA sünteesi ajal igas minutis peab iga tuuma poori läbima ~100 histooni molekuli. Tuumast tsütoplasmasse peab minutis liikuma ~6 suurt ja väikest ribosoomi subühikut. Tsütoplasmas ribosoomidel sünteesitud valkudest liiguvad tuuma sellised valgud, mis sisaldavad nukleaarse lokalisatsiooni signaali (NLS). NLS struktuur ja tähtsus avastati kõigepealt viirustel . Leiti simiani viiruse (SV 40) mutant, mille teatud valk (T- antigeen ) paikneb muteerumata viiruse puhul nakatatud rakkude tuumas, aga mutandil jääb tsütoplasmasse. Muteerunud valgu aminohappeline analüüs näitas, et on toimunud aminohapete asendused järjestuses Pro-Lys- Lys- Lys-Arg- Lys-Val. Seni tuntud NLS-d sisaldavad kõik Arg ja Lys, on lühikesed 5-14 aminohappest järjestused, mis paiknevad valgus suvalises kohas. Pärast valgu sisenemist NLS ei lõigata valgu küljest ära, sest teda võib olla vaja korduvalt. Täiendav tõend, et just see järjestus on signaaliks tuuma transpordil, leiti selle järjestuse liitmisel püruvaadi kinaasi valgule. Püruvaadi kinaas paikneb tsütoplasmas, aga hübriidne valk liigub pärast tsütoplasmasse süstimist tuuma. Püruvaadi kinaasi valgu lokalisatsioon oli nähtav immuunfluorestsentsi meetodil fluorestseiiniga seotud antikehade kasutamisel . Tuuma liikumisel valk ei pea olema lahti keerdunud erinevalt valkude liikumisest läbi teiste organellide membraanide.

Kuidas NLS(nukleaarne lokalisatsiooni signaal) tagab valgu liikumise tsütoplasmast tuuma?

• Transporditava valgu NLS seostub retseptoriga ( dimeer tsütoplasma valkudest importiin  ja importiin ), (seostub  subühik),  subühik seostub NPC tsütoplasma poolsete filamentidega.Retseptoriks võivad olla näiteks FG (Phe-Gly) kordusi sisaldavad valgud. Seostumine toimub ilma ATPta. ATP on vajalik  subühiku seostumiseks teiste NPC valkudega poori läbimisel.
  
• Tuumas seostub trimeerse kompleksiga Ran valk, tulemuseks on transporditava valgu ja  importiini vabanemine Ran importiin  liiguvad läbi NPC tagasi tsütoplasmasse, kus toimub hüdrolüüs ja mõlemi komponendi vabanemine (11-37 lk.434)
  

Ran valk annab energiat transpordiks, sest hüdrolüüsib GTP. Ran võib olla seotud GTP ja GDP-ga. Seda kontrollivad täiendavad valgud. GTPaasi aktiveeriv valk GAP (ingl GTPase activating protein) hüdrolüüsib GTP ja muudab Ran GTP Ran GDPks. Tuuma guaniini vahetusfaktor GEF (ingl guanine exchange factor) vahetab GDP GTP-ks.
Seega tuumatranspordis osalevad mitmesugused GTP/GDP ainevahetusega seotud valgud.
Nii nagu valgu ekspordi puhul, ka impordi puhul on oluline Ran –GTP valgu (tagab GTPGDP) tsütoplasmaatiline lokalisatsioon ja RCC1 valgu (GDPGTP) lokalisats. tuumas.
Kõigil retseptorvalkudel on tertsiaarstruktuuris piirkonnad nukleoporiinide ja Raniga seostumiseks. Erinevat tüüpi NLS ja NES (Nuclear export signal ) jaoks on erinevad retseptorid.
Need valgud, mis pendeldavad tuuma ja tsütoplasma vahel, sisaldavad nii NLS kui NES
(eksportiin, importiin, Ran jt)

Kuidas toimub valkude ja RNA eksport tuumast?

Eksporditavad valgud sisaldavad NES-i (nuclear export signal), sisaldab hüdrofoobseid aminohappeid (Leu, Ile), mis on üksteisest eraldatud 2-3 teise aminohappega. (11-33 lk 431)

• eksporditav valk seostub NES vahendusel tuuma ekspordi retseptoriga (eksportiin);
  

• tekib kolmest molekulist koosnev kompleks
  

valk + eksportiin + Ran valk. Ran esineb kahes konformatsioonis – seotuna GTPga ja GDPga.

• kompleks liigub läbi NPC(tuuma poori kompleks), assotsieerudes NPC valkudega, mehhanism tundmatu;
  

• tsütoplasmas kompleks laguneb komponentideks pärast GTP hüdrolüüsi (Ran’i poolt GTP hüdrolüüsi aktiveerib spetsiaalne valk tsütoplasmas (RanGAP ) ja eksportiin ja Ran valk liiguvad tagasi tuuma;
  
• tuumas eriline valk (Ran nukleotiidi vahetamise faktor RCC1) põhjustab GDP vabanemise ja GTP seostumise.
  

Seega Ran GAP lokalisatsioon tsütoplasmas ja RCC1 lokalisatsioon tuumas on kindlasuunalise valkude transpordi põhjuseks.
Tuumas sünteesitud RNA eksport :

• RNA seostub valkudega, mis sisaldavad tuumast ekspordi signaali NES; näiteks CBC (cap-binding complex, mis seostub mRNA 5’otsaga, kus paikneb cap). CBC eemaldub tsütoplasmas mRNAst ja liigub tagasi tuuma nagu exportiin ja Ran valk.
  

RNA-valk kompleksis esinevad ka ilma NES-ita valgud, need hoiavad mRNA tuumas seni kuni toimub tema modifitseerimine. Ainult täiesti ‘küps’ modifitseerimise läbinud mRNA väljub tuumast. Pre- mRNAd, mis paiknevad splaisosoomides (ingl spliceosomes, osalevad intronite väljalõikamises) ei välju tuumast. See on oluline, et vältida intronite olemasolu mRNAs ja vigase valgu sünteesi.
Tuntud on pärilik haigus talasseemia mida iseloomustab madal globiini ( hemoglobiini valguline osa) sisaldus. See on tingitud mutatsioonidest globiini geeni splaisingu saitides. Seetõttu globiini õige mRNA süntees on aeglane. Vigane mRNA (introneid sisaldav) jääb tuuma ja lagundatakse.

Tuumake

Raku tuumas võib eristada häguse piirjoonega membraaniga ümbritsemata piirkonna, mis kannab tuumakese nime. Selles piirkonnas toimub rRNA süntees ja rRNA-le ribosomaalsete valkude liitumine st ribosoomide subühikute teke.
Seega tuumake moodustub rRNA geene sisaldavate kromosoomilõikude ümber ja koosneb rRNA-st, mis on seotud ribosoomi valkudega erineval ribosoomide subühikute komplekseerumise astmel. Kromosoomi osa, milles paiknevad rRNA geenid, nim tuumakese organisaatori piirkonnaks (ingl nucleolus organizer region , NOR). Inimese genoomis on NOR 5-es erinevas kromosoomis, seega inimese diploidses rakus on 10 NOR-i ja neis paikneb tandeemselt ~200 rRNA geeni. Need 10 NOR-i tavaliselt pole eraldi nähtavad ja moodustavad kokku ühe suure tuumakese.
Iga rRNA geen annab transkriptsiooni produkti (transkripti), mis on tuntud kui 45S RNA (~13,700 nukleotiidi) mis sisaldab kõigi kolme ribosoomide koostisesse kuuluva rRNA ahelaid, mis on üksteisest eraldatud mittetranskribeeritavate lõikudega.
Transkripti ehitus:
5’ spacer 18S spacer 5.8S spacer 28S spacer 3’
Transkripti sünteesib RNA polümeraas I. Esialgse transkripti tükkideks lõikamisel tekib 3 erinevat RNA-d (28 S, 5.8 S ja 18 S RNA), mis lähevad ribosoomi kas suure (60S) vōi väikese (40S) subühiku koosseisu. (11-50). Suur subühik sisaldab kahte erineva pikkusega – 28S ja 5.8S rRNAd , ja ~50 valku. Väike subühik sisaldab 18S RNA ja ~33 valku. 5S rRNA tekib nukleoplasmas, RNA Pol III toimel. Ei protsessita, difundeerub tuumakesse. Kõikide ribosoomi koostisesse kuuluvate RNA-de pärinemine ühest transkriptist tagab nende saamise vōrdses koguses. Tuumakese suurus sõltub rRNA sünteesi intensiivsusest ja tuumake on väike nendes rakkudes, kus sünteesitakse vähe valku. Loote arengu algetappidel kiire rakkude jagunemise ajal iga rakk sisaldab ~5-10 miljonit ribosoomi.
tRNA süntees tuumas ja transport tsütoplasmasse
(4-26 lk 121)
tRNA molekulid (~75-80 nukleotiidi), sünteesitakse vastavatelt geenidelt RNA Pol III toimel esialgse transkriptina, (pre-tRNA), millel on liigsed nukleotiidid 5’otsas. Samuti on vajalik teatud nukleosiidide modifitseerimine (U dihüdrouridin, pseudouridin, ribotümidiin). Mõningad pre tRNAd sisaldavad introneid. Protsessing toimub nukleoplasmas. Valminud tRNAd liiguvad läbi NPC(tuuma poori kompleks) tsütoplasmasse valkude vahendusel.

Rakkude diferentseerumise regulatsioon

Loomsetes organismides on ~300 erinevat rakutüüpi, taimedes ~80.
Diferentseerumisel erinevates suundades ei kao osa DNA-st genoomi koostisest vaid erinevates rakkudes ekspresseeruvad erinevad geenide valikud . Seda tõestavad hulgalised näited selle kohta, et nii loomades kui ka taimedes on üksikutest diferentseerunud rakkudest võimalik saada tervikorganism. Eriti kerge on see taimede puhul – praktiliselt igast taime osast saab vegetatiivsel paljundamisel uue taime. Loomade kloneerimine tõestab sama.
Geeni ekspresseerumise all mõistetakse tema poolt kodeeritud valgu sünteesi. Inimese rakus ekspresseerub keskmiselt ~10000-20000 tema ~30000 geenist. Geeni ekspresseerumise regulatsioon saab toimuda erinevatel valgu sünteesi etappidel – mRNA süntees (transkriptsioon), pre –mRNA protsessing, mRNA transport tuumast ribosoomidele, mRNA lagunemine, translatsioon, translatsioonijärgsed muutused valgus. Enam levinud on transkriptsionaalne kontroll.

Geeni ehitus

Prokarüootide kromosoomides geenid, mis kodeerivad teatud ainevahetusrea valke, paiknevad kõrvuti ja moodustavad ühe transkriptsiooni üksuse e operoni. Operoni promootorilt lähtuvalt sünteesitakse üks mRNA, mis on seega polütsüstroonne. (Tsüstron on ühte valku kodeeriv osa DNA-st). Polütsüstroonne mRNA sisaldab infot mitme erineva valgu sünteesiks. Translatsioon selliselt mRNA-lt algab erinevatest kohtadest ja annab erinevad valgud. Mutatsioon operonis võib põhjustada kõikide kodeeritud valkude defektsust või puudumist. Transkriptsiooni regulatsioon toimub regulaatorvalkude vahendusel. Repressorid seostuvad DNA lõiguga promootorist DNA 3’ otsa poole mida nim operaatoriks ja RNA polümeraas ei saa sünteesida mRNA-d (negatiivne kontroll). Aktivaatorvalkude seostumine DNA-ga tagab RNA polümeraasi seostumise promootoriga ja transkriptsiooni algamise. Aktivaatorid võivad seostuda DNA piirkonnaga, mis paikneb vahetult geeni kodeeriva osa kõrval 5’ otsa pool, aga samuti kodeerivast osast kaugemal 5’ otsa pool ja soodustada transkriptsiooni algamist (positiivne kontroll).
Geeni ekspressiooni translatsioonitasemelist ekspressiooni prokarüootides illustreerib lac operoni regulatsioon E. coli’s (Joon 7-3 lk398 Alberts) ( Jacob -Monod mudel).
Eukarüootides on mRNA monotsüstroonne ja tagab ühe valgu sünteesi. Geeni regulaator (kontroll) piirkond haarab kogu DNA osa, mis osaleb transkriptsiooni regulatsioonis, kaasa arvatud promootorpiirkond (~1000 bp) millel peamiste transkriptsiooni faktorite ja RNA polümeraasi kompleks moodustub ja regulaatorjärjestustest (cis elemendid ja võimendajad ingl enhancer ), millega seostuvad regulaatorvalgud. Cis - elemendid peavad asuma DNA samal ahelal millelt toimub mRNA süntees. (Mutatsioonid promootoris või regulaatorpiirkonnas on cis-toimega, sest nad mõjutavad ainult selle geeni ekspressiooni kus mutatsioon toimus) Regulaatorelemendid, mida nim võimendajateks (ingl enhancer) (DNA lõigud pikkusega 50bp-1,5kbp) paiknevad promootorpiirkonnast tuhandeid nukleotiide (isegi kuni 50000 bp) kaugemal 5’otsa pool ja ka geeni mittekodeerivas piirkonnas.
Cis – elemendid ja enhancer’id avaldavad oma reguleerivat toimet transkriptsioonile kui nendega seostuvad valkud , mida nim transkriptsiooni faktoriteks (trans-faktorid). Seostumine tagab DNA paindumise, nii et regulaatorvalk saab seostuda RNA polümeraasiga, peamiste transkriptsiooni faktoritega või teiste valkudega. Repressorid ja aktivaatorid on trans-toimega – nad mõjutavad nende poolt reguleeritud geenide ekspressiooni sõltumata sellest millises DNA molekulis need paiknevad. Transkriptsiooni faktorid klassifitseeritakse struktuuri alusel mitmesse rühma. Sisaldavad piirkonda DNA-ga (cis elemendiga) seostumiseks ja transkriptsiooni initsiatsiooni põhikompleksi (TFII A,B,D,E,F) valkudega seostumiseks. Konkreetsete cis elementide ja trans faktorite seostumise aluseks on tõmbejõud, mis tekivad H-sideme doonorite või aktseptorite, hüdrofoobsete vastasmõjude, elektriliste laengute ja teiste molekulaarset äratundmist tagavate faktorite poolt. Määratakse ära DNA nukleotiidse järjestusega, mis muudab DNA kaksikheeliksi struktuuri. Molekulaarseid kontakte ühe cis-trans seose piirides võib olla mitukümmend.
Mõned peamised trans faktorite rühmad:

• heeliks -pööre-heeliks (ingl helix – turn – helix) Esinevad dimeeridena, mõlemi dimeeri üks heeliks osaleb dimeeride vahelise sideme tekkes, teine heeliksite paar moodustab käärisarnase struktuuri, mille otsad paiknevad DNA kahes kõrvutiasetsevas suures vagumuses. Seda tüüpi trans faktoriks on näiteks  repressor , mis takistab bakteriofaagide paljunemist bakterirakus.
  
• leutsiini tõmblukk (ingl leucine zipper) Kahest dimeerist moodustub samuti käärisarnane struktuur mis seostub DNA sügava vagumusega. Dimeerid hoitakse koos hüdrofoobsete jõududega Leu jääkide vahel .
  
• tsinksõrmed (ingl zinc fingers) DNA sügava vagumusega komplementaarne ruumiline struktuur mis tekib valguahela paindumisel tsingi ioonide ümber. Iga tsingi aatom on seotud nelja aminohappega (His, Cys)
  

Eukarüootse geeni regulatsioonil hulk aktivaatorvalke mõjuvad koos, osutades multiplikatiivset toimet. Sageli modifitseerivad kromatiini struktuuri (näiteks seostudes histoonide atsetülaasidega ja põhjustades kromatiini dekondensatsiooni) (7-48 lk 405, 7-58 lk 411, Abeles)
Regulaatorvalke, mis ei seostu DNA-ga vaid DNA-ga seotud valkudega nim koaktivaatoriteks/korepressoriteks.
Rakud peavad olema võimelised sisse/välja lülitama individuaalseid geene, aga nad peavad olema võimelised koordineerima ka suurte geenide plokkide sisse ja väljalülitust nagu see on vajalik erinevate organite ja kudede moodustumisel arengus. Ühe nn kriitilise regulaatorvalgu ekspresseerumine , mille jaoks on cis elemendid erinevates koos funktsioneerivates geenides, põhjustab kogu geenide ploki ekspresseerumise ja ühe rakutüübi muutumise teiseks. Seega igal geenil pole mitte ainult hulk cis elemente, vaid üks trans faktor võib kontrollida erinevaid geene. Uue regulaatorvalgu lisandumise effekt rakus sõltub sellest, millised regulaatorvalgud juba on olemas st raku eelnevast arengust.
Arenguliselt reguleeritud geenide (näit. keha segmentatsiooni kontrollivad geenid äädikakärbses=homeootilised selektorgeenid) ekspressiooni regulaatorid on nn homeobox valgud e homeodomäänsed valgud. Sarnased loomades ja taimedes, st tekkinud evolutsioonis enne nende organismirühmade lahknemist. Nende
geenid sisaldavad 180 bp piirkonna mis kodeerib 60 aminohapet ja mida nim homeobox-iks. Mutatsioonid nendes geenides põhjustavad dramaatilisi muutusi arengus, näiteks Antennapedia geeni mutandis tundlate asemel jalgade teket Drosophila’l. Põhjus on see, et tundlaks arenevas rakkude rühmas ekspresseeritakse ebanormaalset regulaatorvalku, mis lülitab sisse jalgade diferentseerumise. Homeobox geenideks taimedes on nn MADS box geenid. Mutatsioonid nendes geenides põhjustavad teatud õieosade puudumist või asendumist teistega – tolmukate asendumist kroonlehtedega jne.
Kokkuvõtlikult individuaalsete geenide transkriptsioon on sisse/välja lülitataud regulaatorvalkude vahendusel. Prokarüootides sellised valgud seostuvad RNA polümeraasi stardisaidi lähedusse aktiveerides või represseerides geenilt mRNA sünteesi. Eukarüootides aktivaatorite ja repressorite mõju põhineb erinevatel toimetel – kromatiini struktuuri modifitseerimine, peamiste transkriptsiooni faktorite kokkupanek, RNA polümeraasi komplekseerumine. Prokarüootse geeni ekspresseerumine on kontrollitud väheste (1-2) valkude poolt. Eukarüootsetes rakkudes on geeni regulaatorpiirkonnad suuremad, võivad sisaldada mitukümment elementi regulaatorvalkude seostumiseks, milledest osa on aktivaatorid, teised repressorid ja koos nad põhjustavad geeni ekspresseerumise korrektse ajalise ja ruumilise kontrolli.
12