В генетике сайленсер — это последовательность ДНК , способная связывать факторы регуляции транскрипции , называемые репрессорами . ДНК содержит гены и обеспечивает матрицу для производства информационной РНК (мРНК). Затем эта мРНК транслируется в белки. Когда белок-репрессор связывается с областью сайленсера ДНК, РНК-полимераза не может транскрибировать последовательность ДНК в РНК. При блокировке транскрипции трансляция РНК в белки невозможна. Таким образом, сайленсеры не позволяют генам экспрессироваться в виде белков. [1]
РНК-полимераза, ДНК-зависимый фермент, транскрибирует последовательности ДНК, называемые нуклеотидами , в направлении от 3' к 5' , в то время как комплементарная РНК синтезируется в направлении от 5' к 3'. РНК похожа на ДНК, за исключением того, что РНК содержит урацил вместо тимина, который образует пару оснований с аденином. Важным регионом для активности репрессии генов и экспрессии, обнаруженным в РНК, является 3'-нетранслируемый регион . Это регион на 3'-конце РНК, который не будет транслироваться в белок, но включает в себя множество регуляторных регионов.
Пока что о сайленсерах известно немного, но ученые продолжают исследования в надежде классифицировать больше типов, мест в геноме и заболеваний, связанных с сайленсерами. [2] [3]
Сайленсер — это элемент, специфичный для последовательности, который вызывает отрицательное воздействие на транскрипцию своего конкретного гена. Существует много позиций, в которых может быть расположен элемент сайленсера в ДНК. Наиболее распространенная позиция находится выше целевого гена, где он может помочь подавить транскрипцию гена. [4] Это расстояние может значительно варьироваться от приблизительно -20 п.н. до -2000 п.н. выше гена. Некоторые сайленсеры могут быть обнаружены ниже промотора, расположенного внутри интрона или экзона самого гена. Сайленсеры также были обнаружены в 3-х первичной нетранслируемой области (3' UTR) мРНК. [5]
В настоящее время в ДНК существует два основных типа сайленсеров: классический сайленсерный элемент и неклассический отрицательный регуляторный элемент (NRE). В классических сайленсерах ген активно подавляется сайленсерным элементом, в основном путем вмешательства в сборку общего фактора транскрипции (GTF). [5] NRE пассивно подавляют ген, обычно путем ингибирования других элементов, которые находятся выше гена. Среди NRE есть определенные сайленсеры, зависящие от ориентации, что означает, что фактор связывания связывается в определенном направлении относительно других последовательностей. Сайленсеры, зависящие от промотора, считаются элементами сайленсера, поскольку они зависят от положения и ориентации, но также должны использовать фактор, специфичный для промотора. [5] Недавно были обнаружены элементы ответа группы Polycomb (PRE), которые могут разрешать и подавлять репрессию в зависимости от связанного с ними белка и наличия некодирующей транскрипции. [4]
Для классических сайленсеров сигнальный путь относительно прост. Поскольку репрессия активна, элементы сайленсера нацелены на сборку GTF, необходимых для транскрипции гена. Эти элементы сайленсера в основном расположены выше гена и могут варьироваться от коротких до длинных расстояний. Для сайленсеров дальнего действия было замечено, что ДНК будет образовывать петлю, чтобы приблизить сайленсер к промотору и вывести из петли мешающую ДНК. [4] Сайленсеры также нацелены на участки хеликазы в ДНК, которые богаты аденином и тимином (AT) и склонны к раскручиванию ДНК, что дает место для инициации транскрипции. Ингибированная активность хеликазы приводит к ингибированию транскрипции. Это обычно наблюдается в промоторе гена тиреотропина-β человека . NRE могут вызывать изгиб в области промотора, чтобы блокировать взаимодействия, как это видно, когда NRE связывается с Инь-Ян 1 ( YY1 ), [5] а также фланкировать регуляторные сигналы или области промотора. Когда область сайленсера расположена внутри интрона, могут быть два типа репрессий. Во-первых, может быть физическая блокировка сайта сплайсинга. Во-вторых, может быть изгиб в ДНК, который будет ингибировать процессинг РНК. [5]
При расположении в экзоне или нетранслируемой области сайленсер будет в основном классическим или позиционно-зависимым. Однако эти сайленсеры могут осуществлять свою активность до транскрипции. [5] Большинство сайленсеров конститутивно экспрессируются в организмах, позволяя активировать ген только путем ингибирования сайленсера или активации области энхансера. Лучшим примером этого является фактор нейронального рестриктивного сайленсера (NRSF), который вырабатывается геном REST . Ген REST вырабатывает NRSF для подавления транскрипции нейрональных генов, которые необходимы для локализации нейронной ткани. Когда сайленсер подавляет REST , NRSF также подавляется, что позволяет транскрипцию нейрональных генов. [5]
Другим регуляторным элементом, расположенным выше по течению от гена, является энхансер . Энхансеры выполняют функцию «включателя» в экспрессии гена и активируют область промотора конкретного гена, в то время как сайленсеры выполняют функцию «выключателя». Хотя эти два регуляторных элемента работают друг против друга, оба типа последовательностей влияют на область промотора очень похожим образом. [4] Поскольку сайленсеры не были полностью идентифицированы и проанализированы, обширные исследования энхансеров помогли биологам понять механику сайленсера. Энхансеры можно найти во многих из тех же областей, что и сайленсеры, например, выше промотора на многие пары килобаз или даже ниже по течению в интроне гена. [4] Петля ДНК также является модельной функцией, используемой энхансерами для сокращения близости промотора к энхансеру. Энхансеры также работают с факторами транскрипции для инициирования экспрессии, во многом как сайленсеры могут работать с репрессорами. [4]
Существует несколько различий в регуляции метаболического контроля у эукариот и прокариот. Прокариоты изменяют количество специфических ферментов, вырабатываемых в их клетках, чтобы регулировать экспрессию генов, что является медленным метаболическим контролем, а также регулировать ферментативные пути с помощью таких механизмов, как ингибирование обратной связи и аллостерическая регуляция , что является быстрым метаболическим контролем. [6] Гены прокариот сгруппированы вместе на основе схожих функций в единицы, называемые оперонами , которые состоят из промотора и оператора . Оператор является местом связывания для репрессора и, таким образом, имеет функцию, эквивалентную области сайленсера в эукариотической ДНК. Когда белок-репрессор связан с оператором, РНК-полимераза не может связаться с промотором, чтобы инициировать транскрипцию оперона.
Оперон lac в прокариоте E. coli состоит из генов, которые производят ферменты для расщепления лактозы. Его оперон является примером прокариотического сайленсера. Три функциональных гена в этом опероне — lacZ, lacY и lacA. [6] Ген-репрессор lacI будет производить белок- репрессор LacI, который находится под аллостерической регуляцией. Эти гены активируются присутствием лактозы в клетке, которая действует как эффекторная молекула, связывающаяся с LacI. Когда репрессор связан с лактозой, он не будет связываться с оператором, что позволяет РНК-полимеразе связываться с промотором для инициирования транскрипции оперона. Когда аллостерический сайт репрессора не связан с лактозой, его активный сайт будет связываться с оператором, чтобы не дать РНК-полимеразе транскрибировать гены оперона lac .
Эукариоты имеют гораздо больший геном и, таким образом, имеют другие методы регуляции генов, чем прокариоты. Все клетки в эукариотическом организме имеют одинаковую ДНК, но специфицируются посредством дифференциальной экспрессии генов, феномена, известного как генетическая тотипотентность . [7] Однако для того, чтобы клетка могла экспрессировать гены для правильного функционирования, гены должны быть тщательно отрегулированы для выражения правильных свойств. Гены в эукариотах контролируются на транскрипционном , посттранскрипционном , трансляционном и посттрансляционном уровнях. [8] На транскрипционном уровне экспрессия генов регулируется путем изменения скорости транскрипции. Гены, кодирующие белки, включают экзоны, которые будут кодировать полипептиды, интроны, которые удаляются из мРНК перед трансляцией белков, сайт начала транскрипции, в котором связывается РНК-полимераза, и промотор. [9]
Эукариотические гены содержат восходящий промотор и основной промотор, также называемый базальным промотором. Обычным базальным промотором является последовательность TATAAAAAA, известная как TATA box . TATA box представляет собой комплекс с несколькими различными белками, включая фактор транскрипции II D (TFIID), который включает белок, связывающий TATA (TBP), который связывается с TATA box, вместе с 13 другими белками, которые связываются с TBP. Белки, связывающие TATA box, также включают фактор транскрипции II B (TFIIB), который связывается как с ДНК, так и с РНК-полимеразами. [9]
Сайленсеры у эукариот контролируют экспрессию генов на транскрипционном уровне, на котором мРНК не транскрибируется. Эти последовательности ДНК могут действовать как сайленсеры или энхансеры на основе фактора транскрипции, который связывается с последовательностью, и связывание этой последовательности будет препятствовать промоутерам, таким как TATA-бокс, связываться с РНК-полимеразой. [7] Белок-репрессор может иметь области, которые связываются с последовательностью ДНК, а также области, которые связываются с факторами транскрипции, собранными на промоторе гена, что создаст механизм петлеобразования хромосомы. [9] Петлеобразование располагает сайленсеры в непосредственной близости от промоторов, чтобы гарантировать, что группы белков, необходимые для оптимальной экспрессии гена, будут работать вместе.
Генетические мутации происходят, когда нуклеотидные последовательности в организме изменяются. Эти мутации приводят не только к наблюдаемым фенотипическим влияниям у индивидуума, но и к изменениям, которые фенотипически не обнаруживаются. Источниками этих мутаций могут быть ошибки во время репликации, спонтанные мутации, а также химические и физические мутагены ( УФ-излучение и ионизирующее излучение , тепло). [10] Сайленсеры, будучи закодированными в геноме, подвержены таким изменениям, которые во многих случаях могут приводить к серьезным фенотипическим и функциональным отклонениям. В общих чертах, мутации в элементах или областях сайленсера могут привести либо к ингибированию действия сайленсера, либо к сохраняющемуся подавлению необходимого гена. Это может затем привести к экспрессии или подавлению нежелательного фенотипа, который может повлиять на нормальную функциональность определенных систем в организме. Среди множества элементов сайленсера и белков REST/NSRF является важным фактором сайленсера, который оказывает разнообразное воздействие не только на нейронные аспекты развития. Фактически, во многих случаях REST/NSRF действует совместно с RE-1/NRSE, подавляя и влияя на не-нейрональные клетки. [11] Его эффекты варьируются от лягушек ( Xenopus laevis ) до людей, с бесчисленными эффектами в фенотипе, а также в развитии. У Xenopus laevis нарушение или повреждение REST/NRSF было связано с аномальным эктодермальным паттерном во время развития и значительными последствиями для нервной трубки, черепных ганглиев и развития глаз. [12] У людей дефицит элемента-глушителя REST/NSRF был связан с болезнью Хантингтона из-за снижения транскрипции BDNF .
Кроме того, текущие исследования показывают, что NRSE участвует в регуляции гена ANP, который при чрезмерной экспрессии может привести к гипертрофии желудочков . [13] Мутации в комплексах Polycomb-group (PcG) также представили значительные изменения в физиологических системах организмов. Следовательно, изменение в элементах и последовательностях сайленсеров может привести как к разрушительным, так и к незаметным изменениям.
Эффекты и влияния RE1/NRSE и REST/NRSF значительны в ненейрональных клетках, которым требуется подавление или подавление нейрональных генов. Эти элементы-глушители также регулируют экспрессию генов, которые не индуцируют нейрон-специфические белки, и исследования показали обширное влияние этих факторов на клеточные процессы. У Xenopus laevis дисфункция или мутация RE1/NRSE и REST/NRSF продемонстрировали значительное влияние на нервную трубку , черепные ганглии и развитие глаз. [12] Все эти изменения можно проследить до неправильного паттерна эктодермы во время развития Xenopus. Таким образом, мутация или изменение либо в области подавления RE1/NRSE, либо в факторе-глушителе REST/NRSF может нарушить правильную дифференциацию и спецификацию нейроэпителиального домена, а также помешать формированию кожи или эктодермы. [12] Отсутствие этих факторов приводит к снижению продукции костного морфогенетического белка (BMP), что приводит к недостаточному развитию нервного гребня . [12] Следовательно, эффекты NRSE и NRSF имеют фундаментальное значение для нейрогенеза развивающегося эмбриона, а также на ранних стадиях эктодермального паттернирования. В конечном итоге, неадекватное функционирование этих факторов может привести к аберрантному развитию нервной трубки, черепных ганглиев и глаз у Xenopus .
Болезнь Хантингтона (HD) — это наследственное нейродегенеративное заболевание, симптомы которого проявляются в среднем возрасте человека. Наиболее заметными симптомами этого прогрессирующего заболевания являются когнитивные и двигательные нарушения, а также изменения поведения. [14] Эти нарушения могут перерасти в деменцию , хорею и, в конечном итоге, в смерть. На молекулярном уровне HD возникает в результате мутации в белке хантингтина (Htt). Более конкретно, наблюдается аномальное повторение последовательности CAG в направлении 5'-конца гена, что затем приводит к развитию токсичного полиглутаминового (polyQ) участка в белке. Мутировавший белок Htt влияет на надлежащие нейронные функции человека, ингибируя действие REST/NRSF.
REST/NRSF является важным элементом сайленсера, который связывается с регуляторными областями для контроля экспрессии определенных белков, участвующих в нейронных функциях. Механистические действия хантингтина до сих пор не полностью изучены, но корреляция между Htt и REST/NRSF существует в развитии HD. Присоединяясь к REST/NRSF, мутировавший белок хантингтина подавляет действие элемента сайленсера и удерживает его в цитозоле. Таким образом, REST/NRSF не может проникнуть в ядро и связаться с регуляторным элементом RE-1/NRSE из 21 пары оснований. Адекватное подавление определенных целевых генов имеет фундаментальное значение, поскольку многие из них участвуют в правильном развитии нейронных рецепторов, нейротрансмиттеров , белков синаптических везикул и канальных белков. Дефицит правильного развития этих белков может вызвать нейронные дисфункции, наблюдаемые при болезни Хантингтона. В дополнение к отсутствию репрессии из-за неактивного REST/NRSF, мутировавший белок хантингтин может также снижать транскрипцию гена нейротропного фактора мозга (BDNF). BDNF влияет на выживание и развитие нейронов в центральной нервной системе, а также периферической нервной системе. Эта аномальная репрессия происходит, когда область RE1/NRSE в области промотора BDNF активируется путем связывания REST/NRSF, что приводит к отсутствию транскрипции гена BDNF. [15] Таким образом, аномальная репрессия белка BDNF предполагает значительное влияние на болезнь Хантингтона.
REST/NRSF в сочетании с RE1/NRSE также действует вне нервной системы как регуляторы и репрессоры. Текущие исследования связывают активность RE1/NRSE с регуляцией экспрессии гена предсердного натрийуретического пептида ( ANP ). [13] Регуляторная область NRSE присутствует в 3'-нетранслируемой области гена ANP и действует как посредник для его соответствующей экспрессии. Белок, кодируемый геном ANP , важен во время эмбрионального развития для созревания и развития сердечных миоцитов . Однако в раннем детстве и на протяжении всей взрослой жизни экспрессия ANP подавляется или сохраняется на минимальном уровне в желудочке. Таким образом, аномальная индукция гена ANP может привести к гипертрофии желудочков и тяжелым сердечным последствиям. Для поддержания репрессии гена NRSF (нейрон-рестриктивный фактор сайленсера) или REST связывается с областью NRSE в 3'-нетранслируемой области гена ANP . Кроме того, комплекс NRSF-NRSE привлекает транскрипционный корепрессор, известный как mSin3. [13] Это приводит к активности гистондеацетилазы в регионе и репрессии гена. Таким образом, исследования выявили корреляцию между REST/NRSF и RE1/NRSE в регуляции экспрессии гена ANP в желудочковых миоцитах. Мутация либо в NRSF, либо в NRSE может привести к нежелательному развитию желудочковых миоцитов из-за отсутствия репрессии, что затем может вызвать гипертрофию желудочков. Например, гипертрофия левого желудочка увеличивает вероятность внезапной смерти человека из-за желудочковой аритмии, возникающей в результате увеличения массы желудочков. [16] Помимо влияния на ген ANP , последовательность NRSE регулирует другие сердечные эмбриональные гены, такие как мозговой натрийуретический пептид BNP, скелетный α-актин и субъединица Na, K – АТФазы α3. [13] Следовательно, регуляторная активность как NRSE, так и NRSF у млекопитающих предотвращает не только нейронные дисфункции, но и физиологические и фенотипические отклонения в других ненейрональных областях тела.
Регуляторные комплексы группы Polycomb (PcG) известны своим влиянием на эпигенетическую регуляцию стволовых клеток, особенно гемопоэтических стволовых клеток. Репрессивный комплекс Polycomb 1 (PRC 1) напрямую участвует в процессе кроветворения и функционирует вместе, например, с геном PcG «Bmi1». Исследования на мышах показывают, что организмы с мутировавшим «Bmi1» демонстрируют недостаточное функционирование митохондрий, а также препятствуют способности гемопоэтических клеток к самообновлению. Аналогичным образом, мутации в генах PRC2 были связаны с гематологическими состояниями, такими как острый лимфобластный лейкоз (ОЛЛ), который является формой лейкемии. Следовательно, гены и белки группы Polycomb участвуют в правильном поддержании кроветворения в организме. [17]