Непосредственно ранние гены ( IEG ) — это гены , которые активируются временно и быстро в ответ на широкий спектр клеточных стимулов. Они представляют собой постоянный механизм ответа, который активируется на уровне транскрипции в первом раунде ответа на стимулы, прежде чем будут синтезированы какие-либо новые белки. IEG отличаются от генов «позднего ответа», которые могут быть активированы только позже, после синтеза генных продуктов раннего ответа. Таким образом, IEG были названы «воротами к геномному ответу». Этот термин может описывать вирусные регуляторные белки, которые синтезируются после вирусной инфекции клетки-хозяина, или клеточные белки, которые производятся сразу после стимуляции покоящейся клетки внеклеточными сигналами.
В роли «ворот к геномному ответу» многие продукты IEG являются естественными факторами транскрипции или другими ДНК-связывающими белками . Однако другие важные классы продуктов IEG включают секретируемые белки , цитоскелетные белки и субъединицы рецепторов . Нейрональные ИЭГ преимущественно используются в качестве маркера для отслеживания активности мозга в контексте формирования памяти и развития психических расстройств. [1] IEGs также представляют интерес в качестве терапевтической мишени для лечения цитомегаловируса человека . [2]
К самым ранним выявленным и наиболее охарактеризованным IEG относятся гены c-fos , c-myc и c-jun , гомологичные ретровирусным онкогенам . Таким образом, IEG хорошо известны как ранние регуляторы сигналов роста и дифференцировки клеток. Однако другие данные указывают на роль IEG во многих других клеточных процессах. [3] Arc/Arg3.1 , Zif268 и Homer представляют собой IEG, которые регулируют силу синапсов в нейронах. [4]
Экспрессия IEG происходит в ответ на внутренние и внешние клеточные сигналы и происходит быстро без необходимости синтеза новых факторов транскрипции . [5] Генетические последовательности IEG обычно короче по длине (~ 19 т.п.н.) и демонстрируют обогащение специфическими сайтами связывания факторов транскрипции, что обеспечивает избыточность инициации транскрипции. [6] Трансляция мРНК IEG в белки происходит независимо от ингибиторов синтеза белка, что нарушает процесс производства белка. [7] Быстрая экспрессия IEG также объясняется доступностью его промоторной последовательности посредством ацетилирования гистонов, которое является последовательным до и после экспрессии. [6] Подавление транскрипции мРНК происходит за счет избыточного нацеливания микроРНК на область 3'-UTR , что приводит к репрессии и деградации трансляции. Экспрессия белка IEG часто является временной из-за быстрого подавления мРНК и повышенного протеолиза транслируемых продуктов. [6]
Активация транскрипции генов представляет собой сложную систему сигнальных каскадов и рекрутирования необходимых компонентов, таких как РНК-полимераза и факторы транскрипции . IEG часто первыми реагируют на регуляторные сигналы, причем многие из них достигают пика экспрессии в течение 30 минут после стимулов по сравнению с 2–4 часами в случае гена с отсроченным первичным ответом. [8] Существует множество сигнальных путей, ведущих к активации IEG, многие из которых ( MAPK/ERK , PI3K и т. д.) изучаются в контексте рака. [6] Таким образом, многие IEG действуют как факторы транскрипции, регулирующие экспрессию нижестоящих генов, или являются протоонкогенами, связанными с измененным ростом клеток. [8]
Экспрессия IEGs участвует в активности нейронов и, в частности, в формировании памяти, нервно-психических заболеваниях и поведенческой деятельности. [9] Непосредственно ранние гены, присутствующие в мозге, связаны с рядом функций, таких как изменение синаптических функций посредством временной и быстрой активации факторов роста или экспрессии клеточных белков. [10] Предполагается, что эти изменения являются средством сохранения памяти в мозгу в соответствии с концепцией следа памяти или инграммы . В контексте нервно-психических заболеваний повышение регуляции некоторых IEG, связанное с формированием воспоминаний, связанных со страхом, способствует развитию различных заболеваний, таких как шизофрения , паническое расстройство , посттравматическое стрессовое расстройство [11].
Некоторые IEG, такие как ZNF268 и Arc, участвуют в обучении , памяти и долговременном потенциировании . [12] [13]
Было показано, что широкий спектр нейрональной стимуляции индуцирует экспрессию IEG, начиная от сенсорных и поведенческих и заканчивая судорогами, вызванными лекарствами. [9] Таким образом, IEG используются в качестве маркера для понимания ансамблей нейронов, связанных с формированием определенных воспоминаний, таких как страх, который обычно связывают с развитием психических расстройств. [11] Например, экспрессия нейронов Arc в гиппокампе демонстрирует фенотипические и поведенческие различия в ответ на стимулы, такие как измененная морфология дендритных шипов или частота спонтанных импульсов. [9] Эта ассоциация предполагает, что экспрессия определенных IEG в ответ на стимул приводит к расширению соответствующей нейронной цепи за счет включения активированных ансамблей нейронов. Другие IEG влияют на другие свойства нейронов, при этом выключение Arc оказывает неблагоприятное влияние на формирование долговременной памяти. [9] Эти результаты дают представление о молекулярном механизме и функциональных изменениях, вызванных экспрессией IEG, расширяя теорию следов памяти.
Консолидация памяти во время обучения зависит от быстрой экспрессии набора IEG в нейронах головного мозга . [14] В целом, экспрессия генов часто может быть эпигенетически подавлена присутствием 5-метилцитозина в промоторных областях ДНК генов. Однако в случае IEG, связанных с консолидацией памяти, деметилирование 5 -метилцитозина с образованием нормального основания цитозина может вызывать быструю экспрессию генов. Деметилирование, по-видимому, происходит в результате процесса восстановления ДНК с участием белка GADD45G . [14]
IEGs используются в качестве маркеров в моделях депрессии на животных. У пораженных мышей изменились уровни Arc , влияющие на синаптическую активность, и EGR1 , участвующего в кодировании следов памяти. [1] Другие нейропсихиатрические заболевания, такие как шизофрения, также демонстрируют измененную экспрессию IEG, при этом недавние исследования показали корреляцию с низкой экспрессией EGR3 , транскрипционного фактора, стоящего ниже NMDAR , у пациентов с шизофренией. [15] Таким образом, IEG являются важными маркерами в оценке активности нейронов в контексте психических заболеваний, характер экспрессии которых формируется под воздействием экологических и генетических факторов. [15]
Цитомегаловирус человека (ЦМВВ) представляет собой широко распространенный бета-герпесвирус, который остается в латентном состоянии и остается незамеченным у здоровых людей, но имеет серьезные последствия, если у человека ослаблен иммунитет. Вирус циклически переходит в латентное состояние и выходит из него и характеризуется различными областями экспрессии генов: немедленно-ранними (IE), ранними и поздними. [16] Традиционные противовирусные методы лечения, такие как ганцикловир, используют аналоги нуклеозидов для воздействия на ранние события циклов репликации вируса, однако эти подходы склонны к развитию резистентности. [17] Считается, что нацеливание на IE1 и IE2 имеет решающее значение для регулирования патогенеза ЦМВ и сохранения вируса в латентном состоянии. Вирусные белки, полученные из IE1 и IE2, регулируют латентный период вируса, контролируя последующую экспрессию ранних и поздних генов. [2] Замалчивание экспрессии генов IE с помощью антисмысловых олигонуклеотидов , РНК-интерференции и рибосом, нацеленных на гены, исследовалось для терапевтических применений. [2] [17] Альтернативно, развитие технологии CRISPR позволяет осуществлять точное редактирование ДНК, которое может нокаутировать гены HCMV, ответственные за транскрипцию IE. Нацеливание на ДНК более эффективно при латентных инфекциях, при которых вирусная мРНК отсутствует или находится в низкой концентрации. [2] Также исследуются низкомолекулярные химические ингибиторы, которые нацелены на эпигенетические факторы и сигнальные белки, участвующие в экспрессии IE. [2]