stringtranslate.com

Регуляция транскрипции

В молекулярной биологии и генетике регуляция транскрипции — это способ, с помощью которого клетка регулирует преобразование ДНК в РНК ( транскрипцию ), тем самым управляя активностью гена . Отдельный ген может регулироваться различными способами, от изменения количества копий РНК, которые транскрибируются, до временного контроля того, когда ген транскрибируется. Этот контроль позволяет клетке или организму реагировать на различные внутри- и внеклеточные сигналы и, таким образом, формировать ответ. Некоторые примеры этого включают производство мРНК, которые кодируют ферменты для адаптации к изменению источника пищи, производство продуктов генов , участвующих в специфических действиях клеточного цикла, и производство продуктов генов, ответственных за клеточную дифференциацию у многоклеточных эукариот, как это изучается в эволюционной биологии развития .

Регуляция транскрипции является жизненно важным процессом во всех живых организмах. Она организована факторами транскрипции и другими белками, работающими согласованно для тонкой настройки количества РНК, производимой посредством различных механизмов. Бактерии и эукариоты имеют очень разные стратегии осуществления контроля над транскрипцией, но некоторые важные особенности остаются сохраненными между ними. Наиболее важной является идея комбинаторного контроля, которая заключается в том, что любой данный ген, вероятно, контролируется определенной комбинацией факторов для контроля транскрипции. В гипотетическом примере факторы A и B могут регулировать отдельный набор генов из комбинации факторов A и C. Эта комбинаторная природа распространяется на комплексы, состоящие из гораздо большего количества белков, и позволяет очень небольшому подмножеству (менее 10%) генома контролировать транскрипционную программу всей клетки.

У бактерий

Оперон мальтозы является примером положительного контроля транскрипции. [1] Когда мальтоза отсутствует в E. coli, транскрипция генов мальтозы не происходит, и нет мальтозы для связывания с белком-активатором мальтозы. Это предотвращает связывание белка-активатора с сайтом связывания активатора на гене, что в свою очередь предотвращает связывание РНК-полимеразы с промотором мальтозы. Транскрипция не происходит. [1]

Большая часть раннего понимания транскрипции пришла от бактерий, [2] хотя степень и сложность регуляции транскрипции выше у эукариот. Бактериальная транскрипция регулируется тремя основными элементами последовательности:

Хотя эти способы регуляции транскрипции существуют и у эукариот, транскрипционный ландшафт значительно сложнее как по количеству вовлеченных белков, так и по наличию интронов и упаковке ДНК в гистоны .

Транскрипция базового бактериального гена зависит от силы его промотора и наличия активаторов или репрессоров. При отсутствии других регуляторных элементов сродство промотора к РНК-полимеразе, основанное на последовательности, варьируется, что приводит к образованию различных количеств транскрипта. Изменяющееся сродство РНК-полимеразы к различным последовательностям промотора связано с областями консенсусной последовательности выше сайта начала транскрипции. Чем больше нуклеотидов промотора согласуются с консенсусной последовательностью, тем сильнее сродство промотора к РНК-полимеразе. [4]

Когда мальтоза присутствует в E. coli, она связывается с белком-активатором мальтозы (#1), который способствует связыванию белка-активатора мальтозы с сайтом связывания активатора (#2). Это позволяет РНК-полимеразе связываться с промотором mal (#3). Затем транскрипция генов malE, malF и malG продолжается (#4), поскольку белок-активатор мальтозы и РНК-полимераза перемещаются вниз по ДНК. [1] malE кодирует связывающий мальтозу периплазматический белок и помогает транспортировать мальтозу через клеточную мембрану. [5] malF кодирует белок пермеазы транспортной системы мальтозы и помогает транспортировать мальтозу через клеточную мембрану. [6] malG кодирует белок транспортной системы и также помогает транспортировать мальтозу через клеточную мембрану. [7]

При отсутствии других регуляторных элементов состояние бактериального транскрипта по умолчанию должно быть в конфигурации «включено», что приводит к производству некоторого количества транскрипта. Это означает, что транскрипционная регуляция в форме белковых репрессоров и положительных контрольных элементов может либо увеличивать, либо уменьшать транскрипцию. Репрессоры часто физически занимают место промотора, не давая РНК-полимеразе связываться. В качестве альтернативы репрессор и полимераза могут связываться с ДНК одновременно с физическим взаимодействием между репрессором, предотвращая открытие ДНК для доступа к минус-цепи для транскрипции. Эта стратегия контроля отличается от эукариотической транскрипции, базальное состояние которой должно быть выключено, и где кофакторы, необходимые для инициации транскрипции, в значительной степени зависят от генов. [8]

Факторы сигма являются специализированными бактериальными белками, которые связываются с РНК-полимеразами и организуют инициацию транскрипции. Факторы сигма действуют как медиаторы транскрипции, специфичной для последовательности, так что один фактор сигма может быть использован для транскрипции всех генов домашнего хозяйства или набора генов, которые клетка желает выразить в ответ на некоторые внешние стимулы, такие как стресс. [9]

Помимо процессов, регулирующих транскрипцию на стадии инициации, синтез мРНК также контролируется скоростью удлинения транскрипции. [10] Паузы РНК-полимеразы происходят часто и регулируются факторами транскрипции, такими как NusG и NusA, сопряжением транскрипции и трансляции и вторичной структурой мРНК. [11] [12]

У эукариот

Схематическая кариограмма человека , показывающая обзор генома человека с помощью G-бэндинга , метода, включающего окрашивание по Гимзе , при котором более светлые окрашенные области , как правило, более транскрипционно активны, тогда как более темные области более неактивны.

Дополнительная сложность создания эукариотической клетки влечет за собой увеличение сложности транскрипционной регуляции. Эукариоты имеют три РНК-полимеразы, известные как Pol I , Pol II и Pol III . Каждая полимераза имеет определенные цели и виды деятельности и регулируется независимыми механизмами. Существует ряд дополнительных механизмов, посредством которых можно контролировать активность полимеразы. Эти механизмы можно в целом сгруппировать в три основные области:

Все три системы работают согласованно, интегрируя сигналы от клетки и соответствующим образом изменяя программу транскрипции.

В то время как в прокариотических системах базальное состояние транскрипции можно рассматривать как нерестриктивное (то есть «включенное» при отсутствии модифицирующих факторов), эукариоты имеют рестриктивное базальное состояние, которое требует привлечения других факторов для генерации транскриптов РНК. Это различие в значительной степени обусловлено уплотнением эукариотического генома путем наматывания ДНК вокруг гистонов для формирования структур более высокого порядка. Это уплотнение делает промотор гена недоступным без помощи других факторов в ядре, и, таким образом, структура хроматина является обычным местом регуляции. Подобно сигма-факторам у прокариот, общие факторы транскрипции (GTF) представляют собой набор факторов у эукариот, которые требуются для всех событий транскрипции. Эти факторы отвечают за стабилизацию связывающих взаимодействий и открытие спирали ДНК, чтобы позволить РНК-полимеразе получить доступ к матрице, но, как правило, не обладают специфичностью к различным сайтам промотора. [13] Большая часть регуляции генов происходит через факторы транскрипции, которые либо привлекают, либо ингибируют связывание общего механизма транскрипции и/или полимеразы. Это может быть достигнуто посредством тесных взаимодействий с элементами основного промотора или посредством элементов энхансера дальнего действия .

После того, как полимераза успешно связана с ДНК-матрицей, ей часто требуется помощь других белков, чтобы покинуть стабильный комплекс промотора и начать удлинение зарождающейся цепи РНК. Этот процесс называется выходом из промотора и является еще одним шагом, на котором регуляторные элементы могут действовать, ускоряя или замедляя процесс транскрипции. Аналогичным образом, факторы белка и нуклеиновой кислоты могут связываться с комплексом удлинения и модулировать скорость, с которой полимераза движется вдоль ДНК-матрицы.

На уровне состояния хроматина

У эукариот геномная ДНК сильно уплотнена, чтобы иметь возможность поместить ее в ядро. Это достигается путем наматывания ДНК вокруг белковых октамеров, называемых гистонами , что имеет последствия для физической доступности частей генома в любой момент времени. Значительные части заглушаются посредством модификаций гистонов и, таким образом, недоступны для полимераз или их кофакторов. Самый высокий уровень регуляции транскрипции происходит посредством перестройки гистонов с целью раскрытия или секвестрации генов, поскольку эти процессы способны сделать целые области хромосомы недоступными, как это происходит при импринтинге.

Перестройка гистонов облегчается посттрансляционными модификациями хвостов основных гистонов. Широкий спектр модификаций может быть выполнен ферментами, такими как гистонацетилтрансферазы (HAT) , гистонметилтрансферазы (HMT) и гистондеацетилазы (HDAC) , среди прочих. Эти ферменты могут добавлять или удалять ковалентные модификации, такие как метильные группы, ацетильные группы, фосфаты и убиквитин. Модификации гистонов служат для привлечения других белков, которые могут либо увеличить уплотнение хроматина и секвестрирующих промоутерных элементов, либо увеличить расстояние между гистонами и обеспечить ассоциацию факторов транскрипции или полимеразы на открытой ДНК. [14] Например, триметилирование H3K27 поликомб -комплексом PRC2 вызывает хромосомное уплотнение и подавление генов. [15] Эти модификации гистонов могут быть созданы клеткой или унаследованы эпигенетически от родителя.

На уровне метилирования цитозина

Метилирование ДНК — это добавление метильной группы к ДНК, которое происходит в цитозине . На изображении показано основание одинарного кольца цитозина и метильная группа, добавленная к 5-му углероду. У млекопитающих метилирование ДНК происходит почти исключительно в цитозине, за которым следует гуанин .

Регуляция транскрипции примерно в 60% промоторов контролируется метилированием цитозинов в динуклеотидах CpG (где за 5' цитозином следует 3' гуанин или сайты CpG ). 5-метилцитозин (5-mC) представляет собой метилированную форму основания ДНК цитозина (см. рисунок). 5-mC представляет собой эпигенетический маркер, обнаруженный преимущественно в сайтах CpG. В геноме человека встречается около 28 миллионов динуклеотидов CpG. [16] В большинстве тканей млекопитающих в среднем от 70% до 80% цитозинов CpG метилированы (образуя 5-метилCpG или 5-mCpG). [17] Метилированные цитозины в последовательностях 5' цитозин-гуанин 3' часто встречаются группами, называемыми островками CpG . Около 60% последовательностей промотора имеют остров CpG, тогда как только около 6% последовательностей энхансера имеют остров CpG. [18] Острова CpG представляют собой регуляторные последовательности, поскольку, если островки CpG метилированы в промоторе гена, это может снизить или остановить транскрипцию гена. [19]

Метилирование ДНК регулирует транскрипцию генов посредством взаимодействия с белками домена связывания метила (MBD) , такими как MeCP2 , MBD1 и MBD2 . Эти белки MBD наиболее прочно связываются с высокометилированными островками CpG . [20] Эти белки MBD имеют как домен связывания метил-CpG, так и домен репрессии транскрипции. [20] Они связываются с метилированной ДНК и направляют или направляют белковые комплексы с ремоделированием хроматина и/или модифицирующей гистон активностью к метилированным островкам CpG. Белки MBD обычно подавляют локальный хроматин, например, катализируя введение репрессивных гистоновых меток или создавая общую репрессивную хроматиновую среду посредством ремоделирования нуклеосом и реорганизации хроматина. [20]

Факторы транскрипции — это белки, которые связываются с определенными последовательностями ДНК для регулирования экспрессии гена. Связывающая последовательность для фактора транскрипции в ДНК обычно имеет длину около 10 или 11 нуклеотидов. Как было подытожено в 2009 году, Вакеризас и др. указали, что существует около 1400 различных факторов транскрипции, закодированных в геноме человека генами, которые составляют около 6% всех генов, кодирующих человеческие белки. [21] Около 94% участков связывания факторов транскрипции (TFBS), которые связаны с генами, реагирующими на сигнал, находятся в энхансерах, тогда как только около 6% таких TFBS находятся в промоторах. [22]

Белок EGR1 является особым фактором транскрипции, который важен для регуляции метилирования CpG-островков. Сайт связывания фактора транскрипции EGR1 часто располагается в последовательностях энхансера или промотора. [23] В геноме млекопитающих имеется около 12 000 сайтов связывания EGR1, и около половины сайтов связывания EGR1 расположены в промоторах, а половина — в энхансерах. [23] Связывание EGR1 с его сайтом связывания целевой ДНК нечувствительно к метилированию цитозина в ДНК. [23]

В то время как в нестимулированных клетках обнаруживаются лишь небольшие количества белка фактора транскрипции EGR1, трансляция гена EGR1 в белок через час после стимуляции резко повышается. [24] Экспрессия белков фактора транскрипции EGR1 в различных типах клеток может стимулироваться факторами роста, нейротрансмиттерами, гормонами, стрессом и травмой. [24] В мозге, когда нейроны активируются, белки EGR1 активируются и связываются с (рекрутируют) уже существующими ферментами TET1 , которые высоко экспрессируются в нейронах. Ферменты TET могут катализировать деметилирование 5-метилцитозина. Когда факторы транскрипции EGR1 переносят ферменты TET1 к сайтам связывания EGR1 в промоторах, ферменты TET могут деметилировать метилированные островки CpG на этих промоторах. После деметилирования эти промоторы могут инициировать транскрипцию своих целевых генов. Сотни генов в нейронах дифференциально экспрессируются после активации нейронов посредством привлечения EGR1 TET1 к метилированным регуляторным последовательностям в их промоторах. [23]

Метилирование промоторов также изменяется в ответ на сигналы. Три ДНК-метилтрансферазы млекопитающих (DNMT1, DNMT3A и DNMT3B) катализируют добавление метильных групп к цитозинам в ДНК. В то время как DNMT1 является «поддерживающей» метилтрансферазой, DNMT3A и DNMT3B могут выполнять новые метилирования. Также существуют две изоформы белков сплайсинга , продуцируемые геном DNMT3A : белки ДНК-метилтрансферазы DNMT3A1 и DNMT3A2. [25]

Изоформа сплайсинга DNMT3A2 ведет себя как продукт классического немедленно-раннего гена и, например, она устойчиво и временно продуцируется после нейрональной активации. [26] То, где изоформа ДНК-метилтрансферазы DNMT3A2 связывается и добавляет метильные группы к цитозинам, по-видимому, определяется посттрансляционными модификациями гистонов. [27] [28] [29]

С другой стороны, нейронная активация вызывает деградацию DNMT3A1, сопровождающуюся снижением метилирования по крайней мере одного оцененного целевого промотора. [30]

Через факторы транскрипции и энхансеры

Факторы транскрипции

Факторы транскрипции — это белки, которые связываются с определенными последовательностями ДНК, чтобы регулировать экспрессию данного гена. В геноме человека насчитывается около 1400 факторов транскрипции, и они составляют около 6% всех генов, кодирующих человеческие белки. [21] Сила факторов транскрипции заключается в их способности активировать и/или подавлять широкий репертуар целевых генов ниже по течению. Тот факт, что эти факторы транскрипции работают комбинаторным образом, означает, что только небольшое подмножество генома организма кодирует факторы транскрипции. Факторы транскрипции функционируют посредством широкого спектра механизмов. В одном механизме метилирование CpG влияет на связывание большинства факторов транскрипции с ДНК — в некоторых случаях отрицательно, а в других — положительно. [31] Кроме того, часто они находятся в конце пути передачи сигнала , который функционирует, чтобы изменить что-то в факторе, например, его субклеточную локализацию или его активность. Посттрансляционные модификации факторов транскрипции, расположенных в цитозоле, могут привести к их перемещению в ядро , где они могут взаимодействовать с соответствующими им энхансерами. Другие факторы транскрипции уже находятся в ядре и модифицируются для обеспечения взаимодействия с партнерскими факторами транскрипции. Некоторые посттрансляционные модификации, которые, как известно, регулируют функциональное состояние факторов транскрипции, — это фосфорилирование , ацетилирование , SUMOилирование и убиквитилирование . Факторы транскрипции можно разделить на две основные категории: активаторы и репрессоры . В то время как активаторы могут напрямую или косвенно взаимодействовать с основным механизмом транскрипции через связывание энхансера, репрессоры преимущественно рекрутируют комплексы корепрессоров, что приводит к репрессии транскрипции путем конденсации хроматина областей энхансера. Также может случиться, что репрессор может функционировать путем аллостерической конкуренции с определенным активатором для подавления экспрессии гена: перекрывающиеся мотивы связывания ДНК как для активаторов, так и для репрессоров вызывают физическую конкуренцию за занятие места связывания. Если репрессор имеет более высокое сродство к своему мотиву, чем активатор, транскрипция будет эффективно блокирована в присутствии репрессора. Жесткий регуляторный контроль достигается за счет высокодинамичной природы факторов транскрипции. Опять же, существует множество различных механизмов для контроля активности фактора транскрипции. Эти механизмы включают контроль локализации белка или контроль того, может ли белок связывать ДНК. [32] Примером этого является белок HSF1 , который остается связанным с Hsp70в цитозоле и перемещается в ядро ​​только при клеточном стрессе, таком как тепловой шок. Таким образом, гены, находящиеся под контролем этого фактора транскрипции, останутся нетранскрибированными, если клетка не подвергнется стрессу. [33]

Усилители

Энхансеры или цис-регуляторные модули/элементы (CRM/CRE) представляют собой некодирующие последовательности ДНК, содержащие несколько сайтов связывания активаторов и репрессоров. Энхансеры имеют длину от 200 п.н. до 1 к.п.н. и могут быть либо проксимальными, 5' выше промотора или внутри первого интрона регулируемого гена, либо дистальными, в интронах соседних генов или межгенных областях, удаленных от локуса. Благодаря петлеобразованию ДНК активные энхансеры контактируют с промотором в зависимости от специфичности промотора основного мотива связывания ДНК. [34] Дихотомия промотор-энхансер обеспечивает основу для функционального взаимодействия между факторами транскрипции и аппаратом основного транскрипционного ядра для запуска выхода РНК Pol II из промотора. В то время как можно было бы подумать, что существует соотношение энхансер-промотор 1:1, исследования человеческого генома предсказывают, что активный промотор взаимодействует с 4-5 энхансерами. Аналогично, энхансеры могут регулировать более одного гена без ограничения сцепления и, как говорят, «пропускают» соседние гены, чтобы регулировать более отдаленные. Хотя это случается нечасто, транскрипционная регуляция может включать элементы, расположенные в хромосоме, отличной от той, где находится промотор. Проксимальные энхансеры или промоторы соседних генов могут служить платформами для привлечения более отдаленных элементов. [35]

Активация и внедрение усилителя

Функция усиления в регуляции транскрипции у млекопитающих . Активная энхансерная регуляторная последовательность ДНК способна взаимодействовать с регуляторной последовательностью ДНК промотора своего целевого гена путем образования хромосомной петли. Это может инициировать синтез матричной РНК (мРНК) РНК-полимеразой II (РНКП II), связанной с промотором в месте начала транскрипции гена. Петля стабилизируется одним архитектурным белком, прикрепленным к энхансеру, и одним, прикрепленным к промотору, и эти белки соединяются, образуя димер (красные зигзаги). Специфические регуляторные факторы транскрипции связываются с мотивами последовательности ДНК на энхансере. Общие факторы транскрипции связываются с промотором. Когда фактор транскрипции активируется сигналом (здесь обозначен как фосфорилирование, показанное маленькой красной звездочкой на факторе транскрипции на энхансере), энхансер активируется и теперь может активировать свой целевой промотор. Активный энхансер транскрибируется на каждой цепи ДНК в противоположных направлениях связанными РНКП II. Медиатор (комплекс, состоящий примерно из 26 белков во взаимодействующей структуре) передает регуляторные сигналы от факторов транскрипции, связанных с ДНК-энхансером, к промотору.

Повышенная экспрессия генов у млекопитающих может быть инициирована, когда сигналы передаются на промоторы, связанные с генами. Цис-регуляторные последовательности ДНК , которые расположены в областях ДНК, удаленных от промоторов генов, могут иметь очень большое влияние на экспрессию генов, при этом некоторые гены подвергаются 100-кратному увеличению экспрессии из-за такой цис-регуляторной последовательности. [36] Эти цис-регуляторные последовательности включают энхансеры , сайленсеры , инсуляторы и элементы привязки. [37] Среди этого созвездия последовательностей энхансеры и связанные с ними белки факторов транскрипции играют ведущую роль в регуляции экспрессии генов. [38]

Энхансеры — это последовательности генома, которые являются основными элементами регуляции генов. Энхансеры контролируют программы экспрессии генов, специфичные для типа клеток, чаще всего, прокладывая петли на больших расстояниях, чтобы физически приблизиться к промоторам своих целевых генов. [39] В исследовании нейронов коры головного мозга было обнаружено 24 937 петель, которые приводят энхансеры к промоторам. [36] Множественные энхансеры, каждый из которых часто находится на расстоянии десятков или сотен тысяч нуклеотидов от своих целевых генов, прокладывают петли к своим промоторам целевых генов и координируют друг с другом, чтобы контролировать экспрессию своего общего целевого гена. [39]

Схематическая иллюстрация в этом разделе показывает энхансер, закручивающийся вокруг, чтобы войти в тесную физическую близость с промотором целевого гена. Петля стабилизируется димером соединительного белка (например, димером CTCF или YY1 ), при этом один член димера прикреплен к своему связывающему мотиву на энхансере, а другой член прикреплен к своему связывающему мотиву на промоторе (представлен красными зигзагами на иллюстрации). [40] Несколько белков факторов транскрипции, специфичных для клеточных функций (в 2018 году Ламберт и др. указали, что в человеческой клетке существует около 1600 факторов транскрипции [41] ), как правило, связываются со специфическими мотивами на энхансере [22], и небольшая комбинация этих связанных с энхансером факторов транскрипции, когда они приближаются к промотору с помощью петли ДНК, регулируют уровень транскрипции целевого гена. Медиатор (коактиватор) (комплекс, обычно состоящий из около 26 белков во взаимодействующей структуре) передает регуляторные сигналы от факторов транскрипции, связанных с ДНК-энхансером, непосредственно ферменту РНК-полимеразе II (РНКП II), связанному с промотором. [42]

Активные энхансеры обычно транскрибируются с обеих цепей ДНК с помощью РНК-полимераз, действующих в двух разных направлениях, производя две эРНК, как показано на рисунке. [43] Неактивный энхансер может быть связан с неактивным фактором транскрипции. Фосфорилирование фактора транскрипции может активировать его, а активированный фактор транскрипции может затем активировать энхансер, с которым он связан (см. маленькую красную звездочку, представляющую фосфорилирование фактора транскрипции, связанного с энхансером на рисунке). [44] Активированный энхансер начинает транскрипцию своей РНК перед активацией промотора для инициирования транскрипции информационной РНК с его целевого гена. [45]

Нормативно-правовая база

Инициация, терминация и регуляция транскрипции опосредуются «циклированием ДНК», которое объединяет промоторы, энхансеры, факторы транскрипции и факторы процессинга РНК для точной регулировки экспрессии генов. [46] Захват конформации хромосомы (3C) и более поздние методы Hi-C предоставили доказательства того, что активные регионы хроматина «уплотняются» в ядерных доменах или телах, где усиливается регуляция транскрипции. [47] Конфигурация генома имеет важное значение для близости энхансера и промотора. Решения о судьбе клеток опосредуются высокодинамичными геномными реорганизациями в интерфазе для модульного включения или выключения целых сетей регуляции генов посредством краткосрочных и долгосрочных перестроек хроматина. [48] Сопутствующие исследования показывают, что геномы метазоа разделены на структурные и функциональные единицы вокруг мегабазы, длинной под названием домены топологической ассоциации (TAD), содержащие десятки генов, регулируемых сотнями энхансеров, распределенных в крупных геномных регионах, содержащих только некодирующие последовательности. Функция TAD заключается в перегруппировке энхансеров и промоутеров, взаимодействующих вместе в одном большом функциональном домене, вместо того, чтобы распространять их в разных TAD. [49] Однако исследования развития мышей указывают на то, что два соседних TAD могут регулировать один и тот же кластер генов. Наиболее релевантное исследование эволюции конечностей показывает, что TAD на 5' кластера генов HoxD в геномах тетрапод управляет его экспрессией в эмбрионах дистальных зачатков конечностей, давая начало руке, в то время как тот, что расположен на 3' стороне, делает это в проксимальных зачатках конечностей, давая начало руке. [50] Тем не менее, неизвестно, являются ли TAD адаптивной стратегией для усиления регуляторных взаимодействий или эффектом ограничений на эти же взаимодействия. Границы TAD часто состоят из генов домашнего хозяйства, тРНК, других высокоэкспрессируемых последовательностей и коротких вкрапленных элементов (SINE). Хотя эти гены могут использовать свое пограничное положение для повсеместной экспрессии, они не связаны напрямую с формированием края TAD. Конкретные молекулы, идентифицированные на границах TAD, называются инсуляторами или архитектурными белками, поскольку они не только блокируют экспрессию энхансера с утечкой, но и обеспечивают точную компартментализацию цис-регуляторных входов в целевой промотор. Эти инсуляторы являются ДНК-связывающими белками, такими как CTCF и TFIIIC, которые помогают привлекать структурных партнеров, таких как когезины и конденсины. Локализация и связывание архитектурных белков с соответствующими им сайтами связывания регулируются посттрансляционными модификациями. [51]Мотивы связывания ДНК, распознаваемые архитектурными белками, либо имеют высокую занятость и находятся на расстоянии около мегабазы ​​друг от друга, либо имеют низкую занятость и находятся внутри TAD. Сайты с высокой занятостью обычно консервативны и статичны, в то время как сайты внутри TAD динамичны в соответствии с состоянием клетки, поэтому сами TAD разделены на субдомены, которые можно назвать subTADs длиной от нескольких кб до TAD (19). Когда архитектурные сайты связывания находятся на расстоянии менее 100 кб друг от друга, медиаторные белки являются архитектурными белками, взаимодействующими с когезином. Для subTADs размером более 100 кб и границ TAD типичным изолятором, взаимодействующим с когезией, является CTCF. [52]

Прединициационного комплекса и побега промотора

У эукариот рибосомальная рРНК и тРНК , участвующие в трансляции, контролируются РНК-полимеразой I (Pol I) и РНК-полимеразой III (Pol III). РНК-полимераза II (Pol II) отвечает за выработку информационной РНК (мРНК) внутри клетки. В частности, для Pol II большая часть регуляторных контрольных точек в процессе транскрипции происходит при сборке и выходе из комплекса предварительной инициации . Ген-специфическая комбинация факторов транскрипции будет привлекать TFIID и/или TFIIA к основному промотору, за которым следует ассоциация TFIIB , создавая стабильный комплекс, на котором могут собираться остальные общие факторы транскрипции (GTF) . [53] Этот комплекс относительно стабилен и может проходить несколько раундов инициации транскрипции. [54] После связывания TFIIB и TFIID, Pol II и остальные GTF могут собираться. Эта сборка отмечена посттрансляционной модификацией (обычно фосфорилированием) С-концевого домена (CTD) Pol II через ряд киназ. [55] CTD представляет собой большой неструктурированный домен, простирающийся от субъединицы RbpI Pol II и состоящий из множества повторов гептадной последовательности YSPTSPS. TFIIH , геликаза, которая остается связанной с Pol II на протяжении всей транскрипции, также содержит субъединицу с киназной активностью, которая будет фосфорилировать серины 5 в гептадной последовательности. Аналогично, как CDK8 (субъединица массивного мультипротеинового комплекса Mediator), так и CDK9 (субъединица фактора удлинения p-TEFb ) обладают киназной активностью по отношению к другим остаткам на CTD. [56] Эти события фосфорилирования способствуют процессу транскрипции и служат сайтами рекрутинга для машин обработки мРНК. Все три киназы реагируют на сигналы, поступающие сверху, и отсутствие фосфорилирования CTD может привести к остановке полимеразы на промоторе.

При раке

У позвоночных большинство генных промоутеров содержат остров CpG с многочисленными сайтами CpG . [57] Когда многие из сайтов промотора гена CpG метилированы, ген становится молчащим. [58] Колоректальный рак обычно имеет от 3 до 6 мутаций драйвера и от 33 до 66 мутаций попутчика или пассажира. [59] Однако транскрипционное молчание может иметь большее значение, чем мутация, в возникновении прогрессирования рака. Например, при колоректальном раке около 600-800 генов транскрипционно молчат метилированием острова CpG (см. регуляция транскрипции при раке ). Транскрипционная репрессия при раке может также происходить другими эпигенетическими механизмами, такими как измененная экспрессия микроРНК . [60] При раке молочной железы подавление транскрипции BRCA1 может происходить чаще из-за сверхэкспрессии микроРНК-182, чем из-за гиперметилирования промотора BRCA1 (см. Низкая экспрессия BRCA1 при раке молочной железы и яичников ).

Ссылки

  1. ^ abc Madigan, Michael T. Brock Biology of Microorganisms, 15e . Pearson. стр. 178. ISBN 9780134602295.
  2. ^ JACOB F, MONOD J (июнь 1961). «Генетические регуляторные механизмы синтеза белков». J. Mol. Biol . 3 (3): 318–56. doi :10.1016/s0022-2836(61)80072-7. PMID  13718526. S2CID  19804795.
  3. ^ Englesberg E, Irr J, Power J, Lee N (октябрь 1965 г.). «Положительный контроль синтеза фермента геном C в системе L-арабинозы». J. Bacteriol . 90 (4): 946–57. doi :10.1128/JB.90.4.946-957.1965. PMC 315760. PMID  5321403 . 
  4. ^ Busby S, Ebright RH (декабрь 1994 г.). «Структура промотора, распознавание промотора и активация транскрипции у прокариот». Cell . 79 (5): 743–6. doi :10.1016/0092-8674(94)90063-9. PMID  8001112. S2CID  34940548.
  5. ^ "malE - предшественник периплазматического белка, связывающего мальтозу - Escherichia coli (штамм K12) - ген и белок malE". www.uniprot.org . Получено 20 ноября 2017 г.
  6. ^ "malF - белок пермеазы системы транспорта мальтозы MalF - Escherichia coli (штамм K12) - ген и белок malF". www.uniprot.org . Получено 20 ноября 2017 г.
  7. ^ "malG - белок пермеазы системы транспорта мальтозы MalG - Escherichia coli (штамм K12) - ген и белок malG". www.uniprot.org . Получено 20 ноября 2017 г.
  8. ^ Payankaulam S, Li LM, Arnosti DN (сентябрь 2010 г.). «Транскрипционная репрессия: консервативные и эволюционные особенности». Curr. Biol . 20 (17): R764–71. doi :10.1016/j.cub.2010.06.037. PMC 3033598. PMID 20833321  . 
  9. ^ Gruber TM, Gross CA (2003). «Множественные сигма-субъединицы и разделение бактериального транскрипционного пространства». Annu. Rev. Microbiol . 57 : 441–66. doi :10.1146/annurev.micro.57.030502.090913. PMID  14527287.
  10. ^ Kang, J.; Mishanina, TV; Landick, R. & Darst, SA (2019). «Механизмы остановки транскрипции у бактерий». Журнал молекулярной биологии . 431 (20): 4007–4029. doi : 10.1016/j.jmb.2019.07.017 . PMC 6874753. PMID  31310765 . 
  11. ^ Чжан, Дж. и Ландик, Р. (2016). «Улица с двусторонним движением: регуляторное взаимодействие между РНК-полимеразой и формирующейся структурой РНК». Журнал молекулярной биологии . 41 (4): 293–310. doi : 10.1016/j.tibs.2015.12.009. PMC 4911296. PMID  26822487 . 
  12. ^ Арцимович, И. (2018). «Восстановление моста между транскрипцией и трансляцией». Молекулярная микробиология . 108 (5): 467–472. doi : 10.1111/mmi.13964 . PMC 5980768. PMID  29608805 . 
  13. ^ Struhl K (июль 1999). «Фундаментально различная логика регуляции генов у эукариот и прокариот». Cell . 98 (1): 1–4. doi : 10.1016/S0092-8674(00)80599-1 . PMID  10412974. S2CID  12411218.
  14. ^ Calo E, Wysocka J (март 2013 г.). «Модификация энхансерного хроматина: что, как и почему?». Mol. Cell . 49 (5): 825–37. doi :10.1016/j.molcel.2013.01.038. PMC 3857148 . PMID  23473601. 
  15. ^ de Napoles M, Mermoud JE, Wakao R, Tang YA, Endoh M, Appanah R, Nesterova TB, Silva J, Otte AP, Vidal M, Koseki H, Brockdorff N (ноябрь 2004 г.). "Polycomb group proteins Ring1A/B link ubiquitylation of histone H2A to heritable gene silencing and X inactivation". Dev. Cell . 7 (5): 663–76. doi : 10.1016/j.devcel.2004.10.005 . PMID  15525528.
  16. ^ Lövkvist C, Dodd IB, Sneppen K, Haerter JO (июнь 2016 г.). «Метилирование ДНК в эпигеномах человека зависит от локальной топологии сайтов CpG». Nucleic Acids Res . 44 (11): 5123–32. doi :10.1093/nar/gkw124. PMC 4914085. PMID  26932361 . 
  17. ^ Джаббари К, Бернарди Г (май 2004). «Метилирование цитозина и частоты CpG, TpG (CpA) и TpA». Gene . 333 : 143–9. doi :10.1016/j.gene.2004.02.043. PMID  15177689.
  18. ^ Steinhaus R, Gonzalez T, Seelow D, Robinson PN (июнь 2020 г.). «Распространяющиеся и CpG-зависимые промотер-подобные характеристики транскрибируемых энхансеров». Nucleic Acids Res . 48 (10): 5306–5317. doi :10.1093/nar/gkaa223. PMC 7261191. PMID  32338759 . 
  19. ^ Bird A (январь 2002 г.). «Паттерны метилирования ДНК и эпигенетическая память». Genes Dev . 16 (1): 6–21. doi : 10.1101/gad.947102 . PMID  11782440.
  20. ^ abc Du Q, Luu PL, Stirzaker C, Clark SJ (2015). «Белки домена связывания метил-CpG: считыватели эпигенома». Epigenomics . 7 (6): 1051–73. doi : 10.2217/epi.15.39 . PMID  25927341.
  21. ^ ab Vaquerizas JM, Kummerfeld SK, Teichmann SA, Luscombe NM (апрель 2009 г.). «Перепись факторов транскрипции человека: функция, экспрессия и эволюция». Nat. Rev. Genet . 10 (4): 252–63. doi :10.1038/nrg2538. PMID  19274049. S2CID  3207586.
  22. ^ ab Grossman SR, Engreitz J, Ray JP, Nguyen TH, Hacohen N, Lander ES (июль 2018 г.). «Позиционная специфичность различных классов факторов транскрипции в пределах энхансеров». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 115 (30): E7222–E7230. Bibcode : 2018PNAS..115E7222G. doi : 10.1073/pnas.1804663115 . PMC 6065035. PMID  29987030 . 
  23. ^ abcd Sun Z, Xu X, He J, Murray A, Sun MA, Wei X, Wang X, McCoig E, Xie E, Jiang X, Li L, Zhu J, Chen J, Morozov A, Pickrell AM, Theus MH, Xie H (август 2019 г.). "EGR1 рекрутирует TET1 для формирования метилома мозга во время развития и при нейронной активности". Nat Commun . 10 (1): 3892. Bibcode : 2019NatCo..10.3892S. doi : 10.1038/s41467-019-11905-3. PMC 6715719. PMID  31467272 . 
  24. ^ ab Kubosaki A, Tomaru Y, Tagami M, Arner E, Miura H, Suzuki T, Suzuki M, Suzuki H, Hayashizaki Y (2009). "Геномное исследование in vivo сайтов связывания EGR-1 при моноцитарной дифференцировке". Genome Biol . 10 (4): R41. doi : 10.1186/gb-2009-10-4-r41 . PMC 2688932. PMID  19374776 . 
  25. ^ Bayraktar G, Kreutz MR (апрель 2018 г.). «Нейрональные ДНК-метилтрансферазы: эпигенетические медиаторы между синаптической активностью и экспрессией генов?». Neuroscientist . 24 (2): 171–185. doi :10.1177/1073858417707457. PMC 5846851 . PMID  28513272. 
  26. ^ Oliveira AM, Hemstedt TJ, Bading H (июль 2012 г.). «Спасение связанного со старением снижения экспрессии Dnmt3a2 восстанавливает когнитивные способности». Nat Neurosci . 15 (8): 1111–3. doi :10.1038/nn.3151. PMID  22751036. S2CID  10590208.
  27. ^ Dhayalan A, Rajavelu A, Rathert P, Tamas R, Jurkowska RZ, Ragozin S, Jeltsch A (август 2010 г.). «Домен Dnmt3a PWWP считывает триметилирование лизина 36 гистона 3 и направляет метилирование ДНК». J Biol Chem . 285 (34): 26114–20. doi : 10.1074 /jbc.M109.089433 . PMC 2924014. PMID  20547484. 
  28. ^ Manzo M, Wirz J, Ambrosi C, Villaseñor R, Roschitzki B, Baubec T (декабрь 2017 г.). «Изоформ-специфическая локализация DNMT3A регулирует точность метилирования ДНК на двухвалентных CpG-островках». EMBO J . 36 (23): 3421–3434. doi :10.15252/embj.201797038. PMC 5709737 . PMID  29074627. 
  29. ^ Dukatz M, Holzer K, Choudalakis M, Emperle M, Lungu C, Bashtrykov P, Jeltsch A (декабрь 2019 г.). «Связывание H3K36me2/3 и связывание ДНК домена ДНК-метилтрансферазы DNMT3A PWWP способствуют его взаимодействию с хроматином». J Mol Biol . 431 (24): 5063–5074. doi :10.1016/j.jmb.2019.09.006. PMID  31634469. S2CID  204832601.
  30. ^ Bayraktar G, Yuanxiang P, Confettura AD, Gomes GM, Raza SA, Stork O, Tajima S, Suetake I, Karpova A, Yildirim F, Kreutz MR (ноябрь 2020 г.). «Синаптический контроль метилирования ДНК включает зависимую от активности деградацию DNMT3A1 в ядре». Neuropsychopharmacology . 45 (12): 2120–2130. doi :10.1038/s41386-020-0780-2. PMC 7547096 . PMID  32726795. 
  31. ^ Yin Y, Morgunova E, Jolma A, Kaasinen E, Sahu B, Khund-Sayeed S, Das PK, Kivioja T, Dave K, Zhong F, Nitta KR, Taipale M, Popov A, Ginno PA, Domcke S, Yan J, Schübeler D, Vinson C, Taipale J (май 2017 г.). "Влияние метилирования цитозина на специфичность связывания ДНК факторами транскрипции человека". Science . 356 (6337): eaaj2239. doi :10.1126/science.aaj2239. PMC 8009048 . PMID  28473536. S2CID  206653898. 
  32. ^ Whiteside ST, Goodbourn S (апрель 1993 г.). «Сигнальная трансдукция и ядерное нацеливание: регуляция активности факторов транскрипции путем субклеточной локализации». J. Cell Sci . 104 (Pt 4) (4): 949–55. doi :10.1242/jcs.104.4.949. PMID  8314906.
  33. ^ Vihervaara A, Sistonen L (январь 2014). «HSF1 at a brief». J. Cell Sci . 127 (Pt 2): 261–6. doi : 10.1242/jcs.132605 . PMID  24421309.
  34. ^ Левин М. (сентябрь 2010 г.). «Транскрипционные усилители в развитии и эволюции животных». Curr. Biol . 20 (17): R754–63. doi :10.1016/j.cub.2010.06.070. PMC 4280268. PMID 20833320  . 
  35. ^ van Arensbergen J, van Steensel B, Bussemaker HJ (ноябрь 2014 г.). «В поисках детерминант специфичности взаимодействия энхансера и промотора». Trends Cell Biol . 24 (11): 695–702. doi :10.1016/j.tcb.2014.07.004. PMC 4252644. PMID  25160912 . 
  36. ^ ab Beagan JA, Pastuzyn ED, Fernandez LR, Guo MH, Feng K, Titus KR и др. (июнь 2020 г.). «Трехмерная реструктуризация генома в зависимости от временных шкалы экспрессии нейрональных генов, вызванной активностью». Nature Neuroscience . 23 (6): 707–717. doi :10.1038/s41593-020-0634-6. PMC 7558717 . PMID  32451484. 
  37. ^ Verheul TC, van Hijfte L, Perenthaler E, Barakat TS (2020). "Почему YY1: Механизмы регуляции транскрипции Инь-Ян 1". Frontiers in Cell and Developmental Biology . 8 : 592164. doi : 10.3389/fcell.2020.592164 . PMC 7554316. PMID  33102493 . 
  38. ^ Spitz F, Furlong EE (сентябрь 2012 г.). «Транскрипционные факторы: от связывания энхансера до контроля развития». Nature Reviews. Genetics . 13 (9): 613–26. doi :10.1038/nrg3207. PMID  22868264. S2CID  205485256.
  39. ^ ab Schoenfelder S, Fraser P (август 2019). «Дальнодействующие контакты энхансера и промотора в контроле экспрессии генов». Nature Reviews. Genetics . 20 (8): 437–455. doi :10.1038/s41576-019-0128-0. PMID  31086298. S2CID  152283312.
  40. ^ Weintraub AS, Li CH, Zamudio AV, Sigova AA, Hannett NM, Day DS и др. (декабрь 2017 г.). «YY1 — структурный регулятор петель энхансер-промотор». Cell . 171 (7): 1573–1588.e28. doi :10.1016/j.cell.2017.11.008. PMC 5785279 . PMID  29224777. 
  41. ^ Lambert SA, Jolma A, Campitelli LF, Das PK, Yin Y, Albu M и др. (февраль 2018 г.). «Факторы транскрипции человека». Cell . 172 (4): 650–665. doi : 10.1016/j.cell.2018.01.029 . PMID  29425488.
  42. ^ Allen BL, Taatjes DJ (март 2015 г.). «Комплекс-медиатор: центральный интегратор транскрипции». Nature Reviews. Молекулярная клеточная биология . 16 (3): 155–66. doi :10.1038/nrm3951. PMC 4963239. PMID  25693131 . 
  43. ^ Михайличенко О., Бондаренко В., Харнетт Д., Шор ИЕ., Мэйлс М., Виалес Р. Р., Фурлонг Е. Е. (январь 2018 г.). «Степень активности энхансера или промотора отражается уровнями и направленностью транскрипции эРНК». Гены и развитие . 32 (1): 42–57. doi :10.1101/gad.308619.117. PMC 5828394. PMID 29378788  . 
  44. ^ Li QJ, Yang SH, Maeda Y, Sladek FM, Sharrocks AD, Martins-Green M (январь 2003 г.). «Активация Elk-1, зависящая от фосфорилирования киназы MAP, приводит к активации коактиватора p300». The EMBO Journal . 22 (2): 281–91. doi :10.1093/emboj/cdg028. PMC 140103 . PMID  12514134. 
  45. ^ Carullo NV, Phillips Iii RA, Simon RC, Soto SA, Hinds JE, Salisbury AJ и др. (сентябрь 2020 г.). «Усилительные РНК предсказывают регуляторные связи энхансер-ген и имеют решающее значение для функции энхансера в нейронных системах». Nucleic Acids Research . 48 (17): 9550–9570. doi :10.1093/nar/gkaa671. PMC 7515708 . PMID  32810208. 
  46. ^ Mercer TR, Mattick JS (июль 2013 г.). «Понимание регуляторной и транскрипционной сложности генома через структуру». Genome Res . 23 (7): 1081–8. doi :10.1101/gr.156612.113. PMC 3698501. PMID  23817049 . 
  47. ^ Dekker J, Marti-Renom MA, Mirny LA (июнь 2013 г.). «Изучение трехмерной организации геномов: интерпретация данных о взаимодействии хроматина». Nat. Rev. Genet . 14 (6): 390–403. doi :10.1038/nrg3454. PMC 3874835 . PMID  23657480. 
  48. ^ Gómez-Díaz E, Corces VG (ноябрь 2014 г.). «Архитектурные белки: регуляторы трехмерной организации генома в судьбе клеток». Trends Cell Biol . 24 (11): 703–11. doi :10.1016/j.tcb.2014.08.003. PMC 4254322. PMID  25218583 . 
  49. ^ Smallwood A, Ren B (июнь 2013 г.). «Организация генома и дальняя регуляция экспрессии генов энхансерами». Curr. Opin. Cell Biol . 25 (3): 387–94. doi :10.1016/j.ceb.2013.02.005. PMC 4180870. PMID  23465541 . 
  50. ^ Woltering JM, Noordermeer D, Leleu M, Duboule D (январь 2014 г.). «Сохранение и расхождение регуляторных стратегий в Hox Loci и происхождение пальцев тетрапод». PLOS Biol . 12 (1): e1001773. doi : 10.1371/journal.pbio.1001773 . PMC 3897358. PMID  24465181 . 
  51. ^ Wang H, Maurano MT, Qu H, Varley KE, Gertz J, Pauli F, Lee K, Canfield T, Weaver M, Sandstrom R, Thurman RE, Kaul R, Myers RM, Stamatoyannopoulos JA (сентябрь 2012 г.). «Широкая пластичность в CTCF-занятости, связанная с метилированием ДНК». Genome Res . 22 (9): 1680–8. doi :10.1101/gr.136101.111. PMC 3431485. PMID  22955980 . 
  52. ^ Филлипс-Креминс Дж. Э., Саурия М. Э., Саньял А., Герасимова ТИ., Лажуа Б. Р., Белл Дж. С. и др. (июнь 2013 г.). «Архитектурные подклассы белков формируют трехмерную организацию геномов во время определения линии». Cell . 153 (6): 1281–95. doi :10.1016/j.cell.2013.04.053. PMC 3712340 . PMID  23706625. 
  53. ^ Thomas MC, Chiang CM (2006). «Общая транскрипционная машина и общие кофакторы». Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol . 41 (3): 105–78. CiteSeerX 10.1.1.376.5724 . doi :10.1080/10409230600648736. PMID  16858867. S2CID  13073440. 
  54. ^ Воэт, Дональд Воэт, Джудит Г. (2011). Биохимия (4-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons. ISBN 978-0470917459.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  55. ^ Napolitano G, Lania L, Majello B (май 2014). «Модификации CTD РНК-полимеразы II: сколько сказок из одного хвоста». J. Cell. Physiol . 229 (5): 538–44. doi :10.1002/jcp.24483. PMID  24122273. S2CID  44613555.
  56. ^ Chapman RD, Conrad M, Eick D (сентябрь 2005 г.). «Роль неконсенсусных повторов C-концевого домена (CTD) млекопитающих РНК-полимеразы II в стабильности CTD и пролиферации клеток». Mol. Cell. Biol . 25 (17): 7665–74. doi :10.1128/MCB.25.17.7665-7674.2005. PMC 1190292. PMID  16107713 . 
  57. ^ Saxonov S, Berg P, Brutlag DL (2006). «Анализ CpG-динуклеотидов в геноме человека по всему геному различает два различных класса промоторов». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 103 (5): 1412–7. Bibcode :2006PNAS..103.1412S. doi : 10.1073/pnas.0510310103 . PMC 1345710 . PMID  16432200. 
  58. ^ Bird A (2002). «Паттерны метилирования ДНК и эпигенетическая память». Genes Dev . 16 (1): 6–21. doi : 10.1101/gad.947102 . PMID  11782440.
  59. ^ Vogelstein B, Papadopoulos N, Velculescu VE, Zhou S, Diaz LA, Kinzler KW (2013). «Пейзажи генома рака». Science . 339 (6127): 1546–58. Bibcode :2013Sci...339.1546V. doi :10.1126/science.1235122. PMC 3749880 . PMID  23539594. 
  60. ^ Тесситоре А, Чиччарелли Г, Дель Веккьо Ф, Гаджиано А, Верцелла Д, Фискьетти М, Веккьотти Д, Капече Д, Заззерони Ф, Алессе Э (2014). «МикроРНК в сети повреждения/восстановления ДНК и раке». Инт Джей Геном . 2014 : 1–10. дои : 10.1155/2014/820248 . ПМЦ 3926391 . ПМИД  24616890. 

Внешние ссылки