Энхансер (генетика)

редактировать
Последовательность ДНК, которая связывает активаторы, чтобы увеличить вероятность транскрипции гена Генный энхансер.svg Здесь представлена ​​четырехступенчатая диаграмма, изображающая использование усилителя. Внутри этой последовательности ДНК белок (-ы), известный как фактор (-ы) транскрипции, связывается с энхансером и увеличивает активность промотора.
  1. ДНК
  2. Усилитель
  3. Промотор
  4. Ген
  5. Белок-активатор транскрипции
  6. Медиаторный белок
  7. РНК-полимераза

В генетике, энхансер - это короткий (50–1500 п.н.) участок ДНК, который может быть связан с белками (активаторы ) для увеличения вероятности того, что произойдет транскрипция определенного гена. Эти белки обычно называют факторами транскрипции. Энхансеры цис-действующие. Они могут быть расположены на расстоянии до 1 Мбит / с (1000000 пар оснований) от гена, выше или ниже по течению от стартового сайта. В геноме человека сотни тысяч энхансеров. Они обнаруживаются как у прокариот, так и у эукариот.

Первое открытие эукариотического энхансера было обнаружено в гене тяжелой цепи иммуноглобулина в 1983 году. Этот энхансер, расположенный в большом интроне, дал объяснение для транскрипционной активации реаранжированных промоторов гена Vh, в то время как нереаранжированные промоторы Vh оставались неактивными.

Содержание

  • 1 Местоположение
  • 2 Теории
  • 3 Примеры в геноме человека
    • 3.1 HACNS1
    • 3.2 GADD45G
  • 4 В биологии развития
    • 4.1 Идентификация и характеристика
    • 4.2 При сегментации насекомых
    • 4.3 При формировании паттерна позвоночных
    • 4.4 Множественные энхансеры способствуют устойчивости к развитию
  • 5 Эволюция механизмов развития
    • 5.1 Колюшка Pitx1
    • 5.2 При эволюции паттерна крыльев дрозофилы
    • 5.3 При воспалении и рак
  • 6 Ссылки
  • 7 Внешние ссылки

Места

В эукариотических клетках структура комплекса ДНК хроматина свернута в виде способ, который функционально имитирует состояние суперспирали, характерное для прокариотической ДНК, поэтому, хотя энхансерная ДНК может линейно находиться далеко от гена, она пространственно близка к промотору и гену. Это позволяет ему взаимодействовать с общими факторами транскрипции и РНК-полимеразой II. Тот же механизм справедлив для сайленсеров в геноме эукариот. Сайленсеры являются антагонистами энхансеров, которые при связывании с собственными факторами транскрипции, называемыми репрессорами, подавляют транскрипцию гена. Сайленсеры и энхансеры могут находиться в непосредственной близости друг от друга или даже могут быть одной и той же областью, дифференцированной только по фактору транскрипции, с которым связывается область.

Энхансер может располагаться выше или ниже гена, который он регулирует. Кроме того, энхансер не обязательно должен быть расположен рядом с сайтом инициации транскрипции , чтобы повлиять на транскрипцию, поскольку некоторые из них были обнаружены в нескольких сотнях тысяч пар оснований выше или ниже начала сайт. Энхансеры не действуют на саму промоторную область, но связываются белками-активаторами. Эти белки-активаторы взаимодействуют с медиаторным комплексом, который привлекает полимеразу II и общие факторы транскрипции, которые затем начинают транскрибировать гены. Энхансеры также можно найти в интронах. Ориентацию энхансера можно даже изменить, не влияя на его функцию. Кроме того, энхансер может быть вырезан и вставлен в другое место хромосомы, но при этом все еще влияет на транскрипцию гена. Это одна из причин, по которой интроны полиморфизмы могут иметь эффекты, хотя они не транслируются. Энхансеры также можно найти в экзонной области неродственного гена, и они могут действовать на гены на другой хромосоме.

. Энхансеры связаны p300-CBP и их местоположение может быть предсказан с помощью ChIP-seq относительно этого семейства соактиваторов.

Теории

По состоянию на 2005 год существуют две различные теории обработки информации, происходящей с энхансерами:

  • Энхансосомы - полагаются на высоко кооперативное, скоординированное действие и могут быть отключены одиночными точечными мутациями, которые перемещают или удаляют сайты связывания отдельных белков.
  • Гибкие рекламные щиты - меньше интегративные, множественные белки независимо регулируют экспрессию генов, и их сумма считывается базальным механизмом транскрипции.

Примеры в геноме человека

HACNS1

HACNS1 (также известный как CENTG2 и расположенный в Human Accelerated Region 2) является генным энхансером, «который, возможно, внес свой вклад в эволюцию уникального противопоставленного гула. большой палец, а также, возможно, модификации голеностопного сустава или стопы, которые позволяют людям ходить на двух ногах ». На сегодняшний день данные показывают, что из 110000 последовательностей энхансеров гена, идентифицированных в геноме человека, HACNS1 претерпел наибольшие изменения в течение эволюции человека после разделения с предками шимпанзе.

GADD45G

Был описан энхансер рядом с геном GADD45g, который может регулировать рост мозга у шимпанзе и других млекопитающих, но не у человека. Регулятор GADD45G у мышей и шимпанзе активен в областях мозга, где расположены клетки, образующие кору, вентральную часть переднего мозга и таламус, и может подавлять дальнейший нейрогенез. Потеря энхансера GADD45G у людей может способствовать увеличению определенных популяций нейронов и расширению переднего мозга у людей.

В биологии развития

Для развития, дифференциации и роста клеток и тканей требуется точное регулируемые паттерны экспрессии гена . Энхансеры работают как цис-регуляторные элементы, чтобы опосредовать как пространственный, так и временной контроль развития, включая транскрипцию в определенных клетках и / или репрессируя ее в других клетках. Таким образом, конкретная комбинация факторов транскрипции и других ДНК-связывающих белков в развивающейся ткани контролирует, какие гены будут экспрессироваться в этой ткани. Энхансеры позволяют использовать один и тот же ген в различных процессах в пространстве и времени.

Идентификация и характеристика

Традиционно энхансеры идентифицируются с помощью методов ловушки энхансера с использованием репортерного гена или с помощью сравнительного анализа последовательностей и компьютерной геномики. В генетически поддающихся обработке моделях, таких как плодовая мушка Drosophila melanogaster, например, репортерная конструкция, такая как lacZ ген, может быть случайным образом интегрирована в геном с использованием P элемент транспозон. Если репортерный ген интегрируется рядом с энхансером, его экспрессия будет отражать паттерн экспрессии, управляемый этим энхансером. Таким образом, окрашивание мух на предмет экспрессии или активности LacZ и клонирование последовательности, окружающей сайт интеграции, позволяет идентифицировать энхансерную последовательность.

Однако развитие геномных и эпигеномных технологий резко изменило перспективы на cis-регуляторные модули (CRM) обнаружение. Методы секвенирования (NGS) нового поколения теперь позволяют проводить высокопроизводительные функциональные анализы обнаружения CRM и значительно увеличивать объем доступных данных, включая крупномасштабные библиотеки сайта связывания фактора транскрипции (TFBS) мотивы, коллекции аннотированных, проверенных CRM и обширные эпигенетические данные по многим типам клеток делают точное обнаружение CRM с помощью вычислений достижимой целью. Пример подхода на основе NGS под названием DNase-seq позволил идентифицировать обедненные нуклеосомами или открытые участки хроматина, которые могут содержать CRM. Совсем недавно были разработаны такие методы, как ATAC-seq, для которых требуется меньше исходного материала. Истощенные по нуклеосомам области можно идентифицировать in vivo по экспрессии Dam метилазы, что позволяет лучше контролировать идентификацию энхансера, специфичного для клеточного типа. Вычислительные методы включают сравнительную геномику, кластеризацию известных или прогнозируемых сайтов связывания TF и ​​подходы контролируемого машинного обучения, обученные на известных CRM. Все эти методы доказали свою эффективность для обнаружения CRM, но каждый имеет свои особенности и ограничения, и каждый из них подвержен большему или меньшему количеству ложноположительных идентификаций. В подходе сравнительной геномики консервация последовательности некодирующих областей может указывать на энхансеры. Последовательности от нескольких видов выравниваются, и консервативные области идентифицируются с помощью вычислений. Затем идентифицированные последовательности могут быть присоединены к репортерному гену, такому как зеленый флуоресцентный белок или lacZ, для определения in vivo паттерна экспрессии гена, продуцируемого энхансером при инъекции в эмбрион. Экспрессия мРНК репортера может быть визуализирована с помощью in situ гибридизации, которая обеспечивает более прямую оценку активности энхансера, поскольку она не подвергается сложностям трансляция и сворачивание белка. Хотя многие доказательства указывают на сохранение последовательности для критических энхансеров развития, другие работы показали, что функция энхансеров может быть сохранена при небольшой консервации первичной последовательности или без нее. Например, энхансеры RET у людей имеют очень низкую консервацию последовательностей по сравнению с таковыми у рыбок данио, однако последовательности обоих видов производят почти идентичные паттерны экспрессии репортерных генов у рыбок данио. Точно так же у сильно разнесенных насекомых (разделенных примерно 350 миллионами лет) было обнаружено, что аналогичные паттерны экспрессии нескольких ключевых генов регулируются с помощью аналогичных CRM, хотя эти CRM не демонстрируют какой-либо заметной консервации последовательностей, которую можно обнаружить стандартными методами выравнивания последовательностей, такими как BLAST.

При сегментации насекомых

Энхансеры, определяющие раннюю сегментацию у эмбрионов Drosophila melanogaster, являются одними из наиболее охарактеризованных энхансеров развития. У ранних эмбрионов мухи факторы транскрипции гена gap ответственны за активацию и репрессию ряда генов сегментации, таких как парные гены-правила. Гены гэпа экспрессируются в блоках вдоль передне-задней оси мухи вместе с другими факторами транскрипции материнского эффекта, создавая таким образом зоны, в которых экспрессируются различные комбинации факторов транскрипции. Гены парных правил отделены друг от друга неэкспрессирующими клетками. Более того, полосы экспрессии для разных генов парных правил смещены друг от друга на несколько диаметров клеток. Таким образом, уникальные комбинации экспрессии генов парных правил создают пространственные домены вдоль передне-задней оси для создания каждого из 14 отдельных сегментов. Энхансер 480 п.н., ответственный за управление острой полосой 2 гена правила парного правила, даже пропущенного (eve), был хорошо охарактеризован. Энхансер содержит 12 различных сайтов связывания для факторов транскрипции материнского гена и гена гэпа. Сайты активации и репрессии последовательно перекрываются. Eve экспрессируется только в узкой полосе клеток, которые содержат высокие концентрации активаторов и низкие концентрации репрессоров для этой последовательности энхансера. Другие энхансерные области управляют экспрессией eve в 6 других полосах эмбриона.

При формировании паттерна позвоночных

Установление осей тела является критическим этапом в развитии животных. Во время эмбрионального развития мыши Nodal, лиганд суперсемейства трансформирующего фактора роста-бета, является ключевым геном, участвующим в формировании паттерна как передне-задней оси, так и левой-правой оси раннего эмбрион. Ген Nodal содержит два энхансера: Proximal Epiblast Enhancer (PEE) и Asymmetric Enhancer (ASE). PEE находится выше гена Nodal и управляет экспрессией Nodal в части примитивной полосы, которая будет дифференцироваться в узел (также называемый примитивным узлом ). PEE включает экспрессию Nodal в ответ на комбинацию передачи сигналов Wnt плюс второй неизвестный сигнал; таким образом, член семейства факторов транскрипции LEF / TCF, вероятно, связывается с сайтом связывания TCF в клетках узла. Диффузия Nodal от узла формирует градиент, который затем формирует расширяющуюся передне-заднюю ось эмбриона. ASE представляет собой интронный энхансер, связанный с транскрипционным фактором Fox1 в головном домене вилки . На ранних этапах развития экспрессия Nodal, управляемая Fox1, устанавливает висцеральную энтодерму. Позднее в процессе развития связывание Fox1 с ASE вызывает экспрессию Nodal на левой стороне латеральной пластинки мезодермы, тем самым устанавливая лево-правую асимметрию, необходимую для асимметричного развития органов в мезодерме.

Установление три зародышевых листка во время гаструляции являются еще одним важным этапом в развитии животных. Каждый из трех зародышевых листков имеет уникальные образцы экспрессии генов, которые способствуют их дифференцировке и развитию. энтодерма специфицируется на ранней стадии развития посредством экспрессии Gata4, и Gata4 переходит к управлению морфогенезом кишечника позже. Экспрессия Gata4 контролируется у ранних эмбрионов с помощью интронного энхансера, который связывает другой фактор транскрипции домена вилки, FoxA2. Первоначально энхансер управляет широкой экспрессией генов во всем эмбрионе, но экспрессия быстро ограничивается энтодермой, предполагая, что другие репрессоры могут участвовать в его ограничении. На поздних стадиях развития тот же энхансер ограничивает экспрессию тканями, которые станут желудком и поджелудочной железой. Дополнительный энхансер отвечает за поддержание экспрессии Gata4 в энтодерме на промежуточных стадиях развития кишечника.

Множественные энхансеры способствуют устойчивости развития

Некоторые гены, участвующие в критических процессах развития, содержат несколько энхансеров перекрывающейся функции. Вторичные энхансеры, или «теневые энхансеры», могут быть обнаружены на расстоянии многих килобаз от первичного энхансера («первичный» обычно относится к первому обнаруженному энхансеру, который часто ближе к гену, который он регулирует). Сам по себе каждый энхансер управляет почти идентичными паттернами экспрессии генов. Действительно ли два усилителя избыточны? Недавние исследования показали, что многочисленные усилители позволяют плодовым мушкам выжить при нарушениях окружающей среды, таких как повышение температуры. При повышении температуры при повышенной температуре один энхансер иногда не может управлять полным паттерном экспрессии, тогда как присутствие обоих энхансеров обеспечивает нормальную экспрессию генов.

Эволюция механизмов развития

Одна из тем Исследования в области эволюционной биологии развития («evo-DevO») изучают роль энхансеров и других цис-регуляторных элементов в возникновении морфологических изменений через различия в развитии между видами.

Колюшка Pitx1

В недавней работе была изучена роль энхансеров в морфологических изменениях у трехиглой колюшки. Колюшки существуют как в морской, так и в пресноводной среде, но во многих пресноводных популяциях колюшки полностью лишились тазовых плавников (придатков, гомологичных задней конечности четвероногих).. Pitx1 - гомеобокс ген, участвующий в развитии задних конечностей у позвоночных. Предварительный генетический анализ показал, что изменения в экспрессии этого гена были ответственны за уменьшение таза у колюшки. Рыбы, экспрессирующие только пресноводный аллель Pitx1, не имеют тазовых шипов, тогда как рыбы, экспрессирующие морской аллель, сохраняют тазовые шипы. Более тщательная характеристика показала, что энхансерная последовательность из 500 пар оснований ответственна за включение экспрессии Pitx1 в зачатке заднего плавника. Этот энхансер расположен рядом с ломким участком хромосомы - последовательностью ДНК, которая, вероятно, будет повреждена и, следовательно, с большей вероятностью будет мутирована в результате неточной репарации ДНК. Этот хрупкий сайт вызывает повторяющиеся независимые потери энхансера, ответственного за управление экспрессией Pitx1 в тазовых шипах в изолированной пресноводной популяции, и без этого энхансера у пресноводных рыб не могут развиться тазовые шипы.

В эволюции рисунка крыльев дрозофилы.

Образцы пигментации представляют собой одно из наиболее ярких и легко оцениваемых различий между разными видами животных. Пигментация крыла дрозофилы оказалась особенно удобной системой для изучения развития сложных фенотипов пигментации. Крыло Drosophila guttifera имеет 12 темных пигментных пятен и 4 более светлых серых пятна между жилками. Пигментные пятна возникают в результате экспрессии гена желтого цвета, продукт которого производит черный меланин. Недавняя работа показала, что два энхансера в гене yellow производят экспрессию гена именно по этой схеме - энхансер пятна вены управляет экспрессией репортерного гена в 12 точках, а усилитель тени между жилками управляет экспрессией репортера в 4 отдельных участках. Эти два энхансера реагируют на сигнальный путь Wnt, который активируется бескрылой экспрессией во всех пигментированных местах. Таким образом, в процессе эволюции сложной пигментации фенотипа, ген желтого пигмента развил энхансеры, реагирующие на сигнал бескрылых, и экспрессия бескрылых эволюционировала в новых местах, создавая новый рисунок крыльев.

При воспалении и рак

Каждая клетка обычно содержит несколько сотен энхансеров особого класса, которые простираются на последовательности ДНК длиной в несколько килобаз, называемых «суперинхансерами». Эти энхансеры содержат большое количество сайтов связывания для последовательностей, индуцибельных факторов транскрипции и регулируют экспрессию генов, участвующих в дифференцировке клеток. Во время воспаления фактор транскрипции NF-κB способствует ремоделированию хроматина таким образом, что избирательно перераспределяет кофакторы из энхансеров с высокой степенью занятости, тем самым подавляя гены, участвующие в поддержании клеточной идентификации, экспрессию которой они усиливают. ; в то же время это ремоделирование и перераспределение, управляемое F-κB, активирует другие энхансеры, которые направляют изменения в клеточной функции через воспаление. В результате воспаление перепрограммирует клетки, изменяя их взаимодействие с остальной тканью и с иммунной системой. При раке белки, которые контролируют активность NF-κB, не регулируются, что позволяет злокачественным клеткам снизить их зависимость от взаимодействия с местной тканью и препятствует их надзору со стороны иммунной системы.

Ссылки

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-19 11:06:36
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте