stringtranslate.com

Изолятор (генетика)

Инсулятор — это тип цис-регуляторного элемента, известный как дальнодействующий регуляторный элемент . Инсулятор, обнаруженный в многоклеточных эукариотах и ​​работающий на расстоянии от промоторного элемента целевого гена, обычно имеет длину от 300 до 2000 пар оснований. [ 1] Инсуляторы содержат кластеризованные сайты связывания для последовательно-специфических ДНК-связывающих белков [1] и опосредуют внутри- и межхромосомные взаимодействия . [2]

Инсуляторы выполняют функции либо энхансер -блокатора, либо барьера, либо и того, и другого. Механизмы, посредством которых инсулятор выполняет эти две функции, включают образование петель и модификации нуклеосом . [3] [4] Существует много примеров инсуляторов, включая инсулятор CTCF , инсулятор gypsy и локус β-глобина . Инсулятор CTCF особенно важен у позвоночных , в то время как инсулятор gypsy задействован у Drosophila . Локус β-глобина был впервые изучен у курицы, а затем у людей на предмет его инсуляторной активности, оба из которых используют CTCF. [5]

Генетические последствия инсуляторов заключаются в их участии в механизме импринтинга и их способности регулировать транскрипцию . Мутации инсуляторов связаны с раком в результате нарушения регуляции клеточного цикла , опухолеобразования и подавления супрессоров роста.

Функция

Изоляторы выполняют две основные функции: [3] [4]

  1. Инсуляторы, блокирующие энхансеры, предотвращают воздействие дистальных энхансеров на промоторы соседних генов.
  2. Барьерные инсуляторы предотвращают подавление эухроматина , подавляя распространение соседнего гетерохроматина.

В то время как блокирование энхансеров классифицируется как межхромосомное взаимодействие, действие в качестве барьера классифицируется как внутрихромосомное взаимодействие. Необходимость в инсуляторах возникает, когда два соседних гена на хромосоме имеют очень разные паттерны транскрипции ; критически важно, чтобы индуцирующие или репрессирующие механизмы одного не мешали соседнему гену. [6] Также было обнаружено, что инсуляторы группируются на границах топологически ассоциированных доменов (TAD) и могут играть роль в разделении генома на «хромосомные окрестности» — геномные регионы, в которых происходит регуляция. [7] [8]

Некоторые инсуляторы могут действовать как блокаторы усилителей и барьеры, а некоторые выполняют только одну из двух функций. [3] Вот несколько примеров различных инсуляторов: [3]

Механизм действия

Изоляторы, блокирующие усилители

Похожий механизм действия для инсуляторов, блокирующих энхансер; домены хроматиновых петель образуются в ядре, которое разделяет энхансер и промотор целевого гена. Домены петель образуются посредством взаимодействия между элементами, блокирующими энхансер, взаимодействующими друг с другом или прикрепляющими хроматиновое волокно к структурным элементам в ядре . [4] Действие этих инсуляторов зависит от расположения между промотором целевого гена и вышестоящим или нижестоящим энхансером. Конкретный способ, которым инсуляторы блокируют энхансеры, зависит от способа действия энхансеров. Энхансеры могут напрямую взаимодействовать со своими целевыми промоторами посредством образования петель [9] (модель прямого контакта), и в этом случае инсулятор предотвращает это взаимодействие посредством образования домена петли, который разделяет сайты энхансера и промотора и предотвращает образование петли промотор-энхансер. [4] Энхансер также может действовать на промотор посредством сигнала (модель отслеживания действия энхансера). Этот сигнал может быть заблокирован инсулятором посредством воздействия на комплекс нуклеопротеина в основании петлевого образования. [4]

Барьерные изоляторы

Активность барьера связана с нарушением специфических процессов в пути формирования гетерохроматина. Эти типы инсуляторов модифицируют нуклеосомный субстрат в реакционном цикле, который является центральным для формирования гетерохроматина. [4] Модификации достигаются посредством различных механизмов, включая удаление нуклеосом , при котором элементы, исключающие нуклеосому, нарушают распространение и заглушение гетерохроматина (опосредованное хроматином заглушение). Модификация также может быть выполнена посредством привлечения гистонацетилтрансферазы (гистонацетилтрансферазы) и АТФ-зависимых комплексов ремоделирования нуклеосом. [4]

Изолятор CTCF

Инсулятор CTCF , по-видимому, обладает активностью блокирования энхансеров посредством своей трехмерной структуры [10] и не имеет прямой связи с барьерной активностью. [11] Позвоночные, в частности, по-видимому, в значительной степени зависят от инсулятора CTCF, однако идентифицировано много различных последовательностей инсуляторов. [2] Изолированные окрестности, образованные физическим взаимодействием между двумя связанными с CTCF локусами ДНК, содержат взаимодействия между энхансерами и их целевыми генами. [12]

Регулирование

Один из механизмов регуляции CTCF осуществляется посредством метилирования его последовательности ДНК . Известно, что белок CTCF благоприятно связывается с неметилированными сайтами, поэтому следует, что метилирование CpG-островков является точкой эпигенетической регуляции . [2] Пример этого можно увидеть в импринтированном локусе Igf2-H19 , где метилирование отцовской импринтированной контрольной области (ICR) предотвращает связывание CTCF. [13] Второй механизм регуляции осуществляется посредством регулирования белков, которые требуются для полностью функционирующих инсуляторов CTCF. Эти белки включают, помимо прочего, когезин , РНК -полимеразу и CP190. [2] [14]

цыганскийизолятор

Элемент инсулятора, который находится в ретротранспозоне gypsy дрозофилы, является одной из нескольких последовательностей, которые были подробно изучены. Инсулятор gypsy можно найти в 5'- нетранслируемой области (UTR) элемента ретротранспозона . Gypsy влияет на экспрессию соседних генов, ожидающих вставки в новое геномное местоположение, вызывая мутантные фенотипы , которые являются как тканеспецифичными, так и присутствуют на определенных стадиях развития. Инсулятор, вероятно, оказывает ингибирующее действие на энхансеры, которые контролируют пространственную и временную экспрессию затронутого гена. [15]

β-глобиновый локус

Первые примеры инсуляторов у позвоночных были обнаружены в β-глобиновом локусе курицы, cHS4 . cHS4 отмечает границу между активным эухроматином в β-глобиновом локусе и вышестоящей гетерохроматиновой областью, которая сильно конденсирована и неактивна. Инсулятор cHS4 действует как барьер для хроматин-опосредованного сайленсинга через распространение гетерохроматина и блокирует взаимодействия между энхансерами и промоторами. Отличительной чертой cHS4 является то, что он имеет повторяющуюся гетерохроматиновую область на своем 5'-конце. [5]

Человеческий гомолог β-глобинового локуса cHS4 — это HS5 . В отличие от куриного β-глобинового локуса, человеческий β-глобиновый локус имеет открытую структуру хроматина и не окружен 5'-гетерохроматиновой областью. Считается, что HS5 является генетическим изолятором in vivo, поскольку он обладает как активностью блокирования энхансеров, так и активностью барьера трансгенов. [5]

CTCF был впервые охарактеризован по его роли в регуляции экспрессии гена β-глобина. В этом локусе CTCF функционирует как белок, связывающий инсулятор, образующий хромосомную границу. [13] CTCF присутствует как в локусе β-глобина курицы, так и в локусе β-глобина человека. В cHS4 локуса β-глобина курицы CTCF связывается с областью (FII), которая отвечает за активность блокирования энхансера. [5]

Генетические последствия

Отпечатывание

Способность энхансеров активировать импринтированные гены зависит от наличия инсулятора на неметилированном аллеле между двумя генами. Примером этого является импринтированный локус Igf2-H19 . В этом локусе белок CTCF регулирует импринтированную экспрессию, связываясь с неметилированной материнской импринтированной контрольной областью (ICR), но не с отцовской ICR . При связывании с неметилированной материнской последовательностью CTCF эффективно блокирует взаимодействие нижестоящих энхансерных элементов с промотором гена Igf2 , оставляя экспрессироваться только ген H19 . [13]

Транскрипция

Когда последовательности инсулятора расположены в непосредственной близости от промотора гена, было высказано предположение, что они могут служить для стабилизации взаимодействий энхансер-промотор. Когда они расположены дальше от промотора, элементы инсулятора будут конкурировать с энхансером и мешать активации транскрипции . [ 3] Образование петель является обычным для эукариот, чтобы приблизить дистальные элементы (энхансеры, промоторы, области контроля локуса ) к более близкому расположению для взаимодействия во время транскрипции. [4] Механизм блокирования энхансером инсуляторов затем, если находится в правильном положении, может играть роль в регуляции активации транскрипции. [3]

Мутации и рак

Инсуляторы CTCF влияют на экспрессию генов, вовлеченных в процессы регуляции клеточного цикла , которые важны для роста клеток, дифференциации клеток и запрограммированной гибели клеток ( апоптоз ). Два из этих генов регуляции клеточного цикла, которые, как известно, взаимодействуют с CTCF, — это hTERT и C-MYC. В этих случаях мутация потери функции гена инсулятора CTCF изменяет паттерны экспрессии и может повлиять на взаимодействие между ростом клеток, дифференциацией и апоптозом и привести к опухолеобразованию или другим проблемам. [2]

CTCF также требуется для экспрессии гена репрессора опухоли ретинобластомы (Rb), а мутации и делеции этого гена связаны с наследственными злокачественными новообразованиями . Когда сайт связывания CTCF удаляется, экспрессия Rb снижается, и опухоли могут разрастаться. [2]

Другие гены, кодирующие регуляторы клеточного цикла, включают BRCA1 и p53 , которые являются супрессорами роста, которые подавляются во многих типах рака, и чья экспрессия контролируется CTCF. Потеря функции CTCF в этих генах приводит к подавлению супрессора роста и способствует образованию рака. [2]

Аберрантная активация инсуляторов может модулировать экспрессию генов, связанных с раком, включая матриксные металлопротеиназы, участвующие в инвазии раковых клеток. [16]

Ссылки

  1. ^ ab Allison, Lizabeth A. (2012). Фундаментальная молекулярная биология . Нью-Джерси: John Wiley & Sons, Inc. стр. 300–301. ISBN 9781118059814.
  2. ^ abcdefg Ян, Цзинпин; Корсес, Виктор Г. (2011). «Инсуляторы хроматина: роль в организации ядра и экспрессии генов». Достижения в исследовании рака . 110 : 43–76. doi :10.1016/B978-0-12-386469-7.00003-7. ISBN 9780123864697. ISSN  0065-230X. PMC  3175007 . PMID  21704228.
  3. ^ abcdef West, Adam G.; Gaszner, Miklos; Felsenfeld, Gary (2002-02-01). «Изоляторы: много функций, много механизмов». Genes & Development . 16 (3): 271–288. doi : 10.1101/gad.954702 . ISSN  0890-9369. PMID  11825869.
  4. ^ abcdefgh Гаснер, Миклош; Фельзенфельд, Гари (сентябрь 2006 г.). «Инсуляторы: эксплуатация транскрипционных и эпигенетических механизмов». Nature Reviews Genetics . 7 (9): 703–713. doi :10.1038/nrg1925. ISSN  1471-0064. PMID  16909129. S2CID  31291034.
  5. ^ abcd Вай, Альберт В.К.; Гиллеманс, Нинка; Рагуз-Болоньези, Селина; Прузина, Сара; Сафарана, Гаэтано; Мейер, умирает; Филипсен, Сяак; Гросвельд, Фрэнк (1 сентября 2003 г.). «HS5 контрольной области локуса β-глобина человека: граница, специфичная для стадии развития, в эритроидных клетках». Журнал ЭМБО . 22 (17): 4489–4500. дои : 10.1093/emboj/cdg437. ISSN  0261-4189. ПМК 202379 . ПМИД  12941700. 
  6. ^ Burgess-Beusse B, Farrell C, Gaszner M, Litt M, Mutskov V, Recillas-Targa F, Simpson M, West A, Felsenfeld G (декабрь 2002 г.). «Изоляция генов от внешних энхансеров и подавление хроматина». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 99 (Suppl 4): 16433–7. Bibcode :2002PNAS...9916433B. doi : 10.1073/pnas.162342499 . PMC 139905 . PMID  12154228. 
  7. ^ Perkel J (1 июня 2015 г.). «Картирование хромосомных окрестностей». BioTechniques . 58 (6): 280–284. doi : 10.2144/000114296 . PMID  26054763.
  8. ^ Ong CT; Corces VG (апрель 2014 г.). «CTCF: архитектурный белок, связывающий топологию и функцию генома». Nat Rev Genet . 15 (4): 234–46. doi :10.1038/nrg3663. PMC 4610363. PMID 24614316  . 
  9. ^ Дэн, В.; Ли, Дж.; Ванг, Х.; Миллер, Дж.; Рейк, А.; Грегори, П.Д.; Дин, А.; Блобель, ГА (2012). «Контроль дальнодействующих геномных взаимодействий в нативном локусе путем целенаправленного связывания фактора зацикливания». Cell . 149 (6): 1233–44. doi :10.1016/j.cell.2012.03.051. PMC 3372860 . PMID  22682246. 
  10. ^ Филлипс Дж. Э., Корсес В. Г. (июнь 2009 г.). «CTCF: мастер-ткач генома». Cell . 137 (7): 1194–211. doi :10.1016/j.cell.2009.06.001. PMC 3040116 . PMID  19563753. 
  11. ^ Филлипс, Дженнифер Э.; Корсес, Виктор Г. (2009-06-26). «CTCF: Мастер-ткач генома». Cell . 137 (7): 1194–1211. doi :10.1016/j.cell.2009.06.001. ISSN  0092-8674. PMC 3040116 . PMID  19563753. 
  12. ^ Дауэн, Дж. М.; Фан, ЗП; Хниш, Д; Рен, Дж; Авраам, Би Джей; Чжан, Л.Н.; Вайнтрауб, АО; Шуйерс, Дж; Ли, ТИ; Чжао, К; Янг, РА (9 октября 2014 г.). «Контроль генов идентичности клеток происходит в изолированных районах хромосом млекопитающих». Клетка . 159 (2): 374–87. дои : 10.1016/j.cell.2014.09.030. ПМК 4197132 . ПМИД  25303531. 
  13. ^ abc Allison, Lizabeth A. (2012). Фундаментальная молекулярная биология . Нью-Джерси: John Wiley & Sons, Inc. стр. 367. ISBN 9781118059814.
  14. ^ Ким, Соми; Ю, Нам-Кён; Каанг, Бон-Кён (июнь 2015 г.). «CTCF как многофункциональный белок в регуляции генома и экспрессии генов». Experimental & Molecular Medicine . 47 (6): e166. ​​doi :10.1038/emm.2015.33. ISSN  2092-6413. PMC 4491725 . PMID  26045254. 
  15. ^ Gdula, David A.; Gerasimova, Tatiana I.; Corces, Victor G. (1996). «Генетический и молекулярный анализ хроматинового инсулятора gypsy у дрозофилы». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 93 (18): 9378–9383. Bibcode : 1996PNAS...93.9378G. doi : 10.1073 /pnas.93.18.9378 . JSTOR  39717. PMC 38435. PMID  8790337. 
  16. ^ Llinàs-Arias P, Ensenyat-Mendez M, Íñiguez-Muñoz S, Orozco J, Valdez B (ноябрь 2023 г.). «Изоляция хроматина управляет перепрограммированием экспрессии кластера генов матриксной металлопротеиназы в агрессивных опухолях молочной железы». Molecular Cancer . 22 (4): 190. doi : 10.1186/s12943-023-01906-8 . PMC 10683115 . PMID  38017545. 

Внешние ссылки