stringtranslate.com

Регуляторная последовательность

Регуляторная последовательность — это сегмент молекулы нуклеиновой кислоты , способный увеличивать или уменьшать экспрессию определенных генов в организме. Регуляция экспрессии генов является неотъемлемой чертой всех живых организмов и вирусов.

Описание

В ДНК регуляция экспрессии генов обычно происходит на уровне биосинтеза РНК ( транскрипции ). Это достигается посредством специфического для последовательности связывания белков ( факторов транскрипции ), которые активируют или ингибируют транскрипцию. Факторы транскрипции могут действовать как активаторы , репрессоры или и то, и другое. Репрессоры часто действуют, предотвращая образование продуктивного комплекса РНК-полимеразой с областью инициации транскрипции ( промотором ), в то время как активаторы способствуют образованию продуктивного комплекса. Кроме того, было показано, что мотивы ДНК предсказывают эпигеномные модификации, что позволяет предположить, что факторы транскрипции играют роль в регуляции эпигенома . [ 2]

В РНК регуляция может происходить на уровне биосинтеза белка ( трансляции ), расщепления РНК, сплайсинга РНК или терминации транскрипции. Регуляторные последовательности часто связаны с молекулами информационной РНК (мРНК), где они используются для контроля биогенеза или трансляции мРНК. Различные биологические молекулы могут связываться с РНК для осуществления этой регуляции, включая белки (например, репрессоры трансляции и факторы сплайсинга), другие молекулы РНК (например, микроРНК ) и малые молекулы , в случае рибопереключателей .

Активация и реализация

Регуляторная последовательность ДНК не регулирует, если она не активирована. Различные регуляторные последовательности активируются и затем осуществляют свою регуляцию посредством различных механизмов.

Активация и внедрение усилителя

Регуляция транскрипции у млекопитающих . Активная энхансерная регуляторная последовательность ДНК способна взаимодействовать с регуляторной последовательностью промотора ДНК 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.

Экспрессия генов у млекопитающих может быть повышена, 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. [3] Эти цис -регуляторные последовательности включают энхансеры , сайленсеры , инсуляторы и элементы привязки. [4] Среди этого созвездия последовательностей энхансеры и связанные с ними белки факторов транскрипции играют ведущую роль в регуляции экспрессии генов. [5]

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. [6] При исследовании нейронов коры головного мозга было обнаружено 24 937 петель, которые приводят энхансеры к промоторам. [3] 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. [6]

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). [7] Несколько белков факторов транскрипции, специфичных для клеточных функций (в 2018 году Ламберт и др. указали, что в человеческой клетке существует около 1600 факторов транскрипции [8] ), как правило, связываются со специфическими мотивами на энхансере [9], 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. [10]

Активные энхансеры обычно транскрибируются с обеих цепей ДНК с помощью РНК-полимераз, действующих в двух разных направлениях, производя две эРНК, как показано на рисунке. [11] 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). [12] Активированный энхансер начинает транскрипцию своей РНК перед активацией промотора для инициирования транскрипции информационной РНК с его целевого гена. [13]

Метилирование и деметилирование CpG-островков

Метильная группа добавляется к углероду в положении 5 кольца, образуя 5-метилцитозин.

5-Метилцитозин (5-mC) — это метилированная форма цитозина основания ДНК (см. рисунок). 5-mC — это эпигенетический маркер, обнаруженный преимущественно на цитозинах в динуклеотидах CpG, которые состоят из цитозина, за которым следует гуанин в направлении от 5' до 3' вдоль цепи ДНК ( сайты CpG ). В геноме человека встречается около 28 миллионов динуклеотидов CpG. [14] В большинстве тканей млекопитающих в среднем от 70% до 80% цитозинов CpG метилированы (образуя 5-метил-CpG или 5-mCpG). [15] Метилированные цитозины в последовательностях CpG часто встречаются группами, называемыми островками CpG . Около 59% последовательностей промотора имеют островок CpG, тогда как только около 6% последовательностей энхансера имеют островок CpG. [16] Островки CpG представляют собой регуляторные последовательности, поскольку, если островки CpG метилированы в промоторе гена, это может снизить или полностью отключить экспрессию гена. [17]

Метилирование ДНК регулирует экспрессию 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 . [18] Эти белки MBD имеют как домен связывания метил-CpG, так и домен репрессии транскрипции. [18] 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 такими способами, как катализируя введение репрессивных гистоновых меток или создавая общую репрессивную хроматиновую среду посредством ремоделирования нуклеосом и реорганизации хроматина. [18]

Факторы транскрипции — это белки, которые связываются с определенными последовательностями ДНК для регулирования экспрессии данного гена. Связывающая последовательность для фактора транскрипции в ДНК обычно имеет длину около 10 или 11 нуклеотидов. В геноме человека закодировано около 1400 различных факторов транскрипции, и они составляют около 6% всех генов, кодирующих человеческие белки. [19] Около 94% сайтов связывания факторов транскрипции, которые связаны с генами, реагирующими на сигнал, находятся в энхансерах, тогда как только около 6% таких сайтов находятся в промоторах. [9]

EGR1 — это фактор транскрипции, важный для регуляции метилирования CpG-островков. Сайт связывания фактора транскрипции EGR1 часто располагается в последовательностях энхансера или промотора. [20] В геноме млекопитающих имеется около 12 000 сайтов связывания EGR1, и около половины сайтов связывания EGR1 расположены в промоторах, а половина — в энхансерах. [20] Связывание EGR1 с его сайтом связывания целевой ДНК нечувствительно к метилированию цитозина в ДНК. [20]

Хотя в нестимулированных клетках можно обнаружить лишь небольшое количество белка EGR1, трансляция EGR1 в белок через час после стимуляции заметно повышается. [21] Экспрессия EGR1 в различных типах клеток может стимулироваться факторами роста, нейротрансмиттерами, гормонами, стрессом и травмой. [21] В мозге, когда нейроны активируются, белки EGR1 активируются, и они 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. [20]

Активация путем двух- или одноцепочечных разрывов

Около 600 регуляторных последовательностей в промоторах и около 800 регуляторных последовательностей в энхансерах, по-видимому, зависят от двухцепочечных разрывов, инициированных топоизомеразой 2β (TOP2B) для активации. [22] [23] Индукция конкретных двухцепочечных разрывов специфична по отношению к индуцирующему сигналу. Когда нейроны активируются in vitro , в их геномах происходит всего 22 двухцепочечных разрыва, индуцированных TOP2B. [24] Однако, когда контекстуальное условное рефлексообразование страха осуществляется у мыши, это условное рефлексообразование вызывает сотни ген-ассоциированных DSB в медиальной префронтальной коре и гиппокампе, которые важны для обучения и памяти. [25]

Регуляторная последовательность в промоторе в точке начала транскрипции с приостановленной РНК-полимеразой и двухцепочечным разрывом, вызванным TOP2B

Такие двухцепочечные разрывы, вызванные TOP2B, сопровождаются по крайней мере четырьмя ферментами пути репарации ДНК с негомологичным соединением концов (NHEJ) (DNA-PKcs, KU70, KU80 и DNA LIGASE IV) (см. рисунок). Эти ферменты восстанавливают двухцепочечные разрывы в течение примерно от 15 минут до 2 часов. [24] [26] Таким образом, двухцепочечные разрывы в промоторе связаны с TOP2B и по крайней мере этими четырьмя ферментами репарации. Эти белки присутствуют одновременно на одной нуклеосоме промотора (в последовательности ДНК, обернутой вокруг одной нуклеосомы, около 147 нуклеотидов), расположенной вблизи сайта начала транскрипции их целевого гена. [26]

Двухцепочечный разрыв, введенный TOP2B, по-видимому, освобождает часть промотора в месте начала транскрипции, связанном с РНК-полимеразой, для физического перемещения к связанному с ним энхансеру. Это позволяет энхансеру с его связанными факторами транскрипции и медиаторными белками напрямую взаимодействовать с РНК-полимеразой, которая была остановлена ​​в месте начала транскрипции, чтобы начать транскрипцию. [24] [10]

Аналогично, ферменты топоизомеразы I (TOP1), по-видимому, расположены во многих энхансерах, и эти энхансеры активируются, когда TOP1 вносит одноцепочечный разрыв. [27] TOP1 вызывает одноцепочечные разрывы в определенных регуляторных последовательностях ДНК энхансера, когда получает сигнал от специфического фактора транскрипции, связывающего энхансер. [27] Разрывы топоизомеразы I связаны с другими факторами репарации ДНК, чем те, которые окружают разрывы TOP2B. В случае TOP1 разрывы связаны непосредственно с ферментами репарации ДНК MRE11 , RAD50 и ATR . [27]

Примеры

Геномы можно систематически анализировать для выявления регуляторных областей. [28] Консервативные некодирующие последовательности часто содержат регуляторные области, и поэтому они часто являются предметом этих анализов.

Ген инсулина

Регуляторные последовательности гена инсулина : [29]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Шафи, Томас; Лоу, Рохан (2017). «Структура эукариотических и прокариотических генов». WikiJournal of Medicine . 4 (1). doi : 10.15347/wjm/2017.002 . ISSN  2002-4436.
  2. ^ Whitaker JW, Zhao Chen, Wei Wang. (2014) Прогнозирование человеческого эпигенома по мотивам ДНК. Nature Methods. doi:10.1038/nmeth.3065
  3. ^ 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. 
  4. ^ 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 . 
  5. ^ 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.
  6. ^ 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.
  7. ^ 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. 
  8. ^ 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.
  9. ^ 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 . 
  10. ^ ab 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 . 
  11. ^ 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 . 
  12. ^ 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. 
  13. ^ 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. 
  14. ^ Lövkvist C, Dodd IB, Sneppen K, Haerter JO (июнь 2016 г.). «Метилирование ДНК в эпигеномах человека зависит от локальной топологии участков CpG». Nucleic Acids Research . 44 (11): 5123–32. doi :10.1093/nar/gkw124. PMC 4914085. PMID  26932361 . 
  15. ^ 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.
  16. ^ Steinhaus R, Gonzalez T, Seelow D, Robinson PN (июнь 2020 г.). «Распространяющиеся и CpG-зависимые промотер-подобные характеристики транскрибируемых энхансеров». Nucleic Acids Research . 48 (10): 5306–5317. doi :10.1093/nar/gkaa223. PMC 7261191. PMID  32338759 . 
  17. ^ Bird A (январь 2002 г.). «Паттерны метилирования ДНК и эпигенетическая память». Гены и развитие . 16 (1): 6–21. doi : 10.1101/gad.947102 . PMID  11782440.
  18. ^ 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.
  19. ^ Vaquerizas JM, Kummerfeld SK, Teichmann SA, Luscombe NM (апрель 2009 г.). «Перепись факторов транскрипции человека: функция, экспрессия и эволюция». Nature Reviews. Genetics . 10 (4): 252–63. doi :10.1038/nrg2538. PMID  19274049. S2CID  3207586.
  20. ^ abcd Sun Z, Xu X, He J, Murray A, Sun MA, Wei X и др. (август 2019 г.). «EGR1 рекрутирует TET1 для формирования метилома мозга во время развития и при нейронной активности». Nature Communications . 10 (1): 3892. Bibcode :2019NatCo..10.3892S. doi :10.1038/s41467-019-11905-3. PMC 6715719 . PMID  31467272. 
  21. ^ ab Kubosaki A, Tomaru Y, Tagami M, Arner E, Miura H, Suzuki T и др. (2009). "Геномное исследование in vivo сайтов связывания EGR-1 при моноцитарной дифференциации". Genome Biology . 10 (4): R41. doi : 10.1186/gb-2009-10-4-r41 . PMC 2688932 . PMID  19374776. 
  22. ^ Dellino GI, Palluzzi F, Chiariello AM, Piccioni R, Bianco S, Furia L и др. (июнь 2019 г.). «Высвобождение приостановленной РНК-полимеразы II в определенных локусах способствует образованию двухцепочечных разрывов ДНК и способствует раковым транслокациям». Nature Genetics . 51 (6): 1011–1023. doi :10.1038/s41588-019-0421-z. PMID  31110352. S2CID  159041612.
  23. ^ Singh S, Szlachta K, Manukyan A, Raimer HM, Dinda M, Bekiranov S, Wang YH (март 2020 г.). «Сайты остановки РНК-полимеразы II на активно транскрибируемых генах обогащены двухцепочечными разрывами ДНК». J Biol Chem . 295 (12): 3990–4000. doi : 10.1074/jbc.RA119.011665 . PMC 7086017. PMID  32029477 . 
  24. ^ abc Madabhushi R, Gao F, Pfenning AR, Pan L, Yamakawa S, Seo J, et al. (июнь 2015 г.). «Вызванные активностью разрывы ДНК регулируют экспрессию генов раннего нейронального ответа». Cell . 161 (7): 1592–605. doi :10.1016/j.cell.2015.05.032. PMC 4886855 . PMID  26052046. 
  25. ^ Стотт РТ, Крицкий О, Цай ЛХ (2021). «Профилирование участков разрыва ДНК и транскрипционных изменений в ответ на контекстное обучение страху». PLOS ONE . 16 (7): e0249691. Bibcode : 2021PLoSO..1649691S. doi : 10.1371/journal.pone.0249691 . PMC 8248687. PMID  34197463 . 
  26. ^ ab Ju BG, Lunyak VV, Perissi V, Garcia-Bassets I, Rose DW, Glass CK, Rosenfeld MG (июнь 2006 г.). "Опосредованный топоизомеразой IIbeta разрыв dsDNA, необходимый для регулируемой транскрипции". Science . 312 (5781): 1798–802. Bibcode :2006Sci...312.1798J. doi :10.1126/science.1127196. PMID  16794079. S2CID  206508330.
  27. ^ abc Puc J, Kozbial P, Li W, Tan Y, Liu Z, Suter T и др. (январь 2015 г.). «Активация лиганд-зависимого энхансера, регулируемая активностью топоизомеразы-I». Cell . 160 (3): 367–80. doi :10.1016/j.cell.2014.12.023. PMC 4422651 . PMID  25619691. 
  28. ^ Степанова М, Тяжелова Т, Скоблов М, Баранова А (май 2005). «Сравнительный анализ относительной встречаемости сайтов связывания факторов транскрипции в геномах позвоночных и областей промотора генов». Биоинформатика . 21 (9): 1789–96. doi : 10.1093/bioinformatics/bti307 . PMID  15699025.
  29. ^ Меллул Д., Маршак С., Сераси Э. (март 2002 г.). «Регуляция транскрипции гена инсулина». Диабетология . 45 (3): 309–26. дои : 10.1007/s00125-001-0728-y . ПМИД  11914736.
  30. ^ Jang WG, Kim EJ, Park KG, Park YB, Choi HS, Kim HJ и др. (январь 2007 г.). «Репрессия экспрессии гена человеческого инсулина, опосредованная глюкокортикоидным рецептором, регулируется PGC-1alpha». Biochemical and Biophysical Research Communications . 352 (3): 716–21. doi :10.1016/j.bbrc.2006.11.074. PMID  17150186.

Внешние ссылки