Промотор (генетика)

редактировать
Область ДНК, стимулирующая транскрипцию 1: РНК-полимераза, 2: Репрессор, 3: Промотор, 4: Оператор, 5: лактоза, 6: lacZ, 7: lacY, 8: lacA. .. Вверху : транскрипция гена отключена. Нет лактозы, ингибирующей репрессор, поэтому репрессор связывается с оператором, который препятствует связыванию РНК-полимеразы с промотором и созданию кодирующей мРНК ген лактазы... Внизу : ген включен. Лактоза ингибирует репрессор, позволяя РНК-полимеразе связываться с промотором и экспрессировать гены, которые синтезируют лактазу. В конце концов, лактаза переваривает всю лактозу до тех пор, пока она не перестанет связываться с репрессором. Затем репрессор связывается с оператором, останавливая производство лактазы.

В генетике промотор представляет собой последовательность ДНК, с которой связываются белки которые инициируют транскрипцию одиночной РНК из ДНК, расположенной ниже нее. Эта РНК может кодировать белок или может выполнять функцию сама по себе, например, тРНК, мРНК или рРНК. Промоторы расположены рядом с сайтами начала транскрипции генов, выше на ДНК (по направлению к 5'-области смысловой цепи ). Промоторы могут иметь длину около 100–1000 пар оснований.

Содержание

  • 1 Обзор
  • 2 Идентификация относительного местоположения
  • 3 Относительное местоположение в ядре клетки
  • 4 элемента
    • 4.1 Эукариотический
    • 4.2 Бактериальный
      • 4.2.1 Вероятность появления каждого нуклеотида
    • 4.3 Эукариотический
      • 4.3.1 Двунаправленный (млекопитающие)
  • 5 Субгеномный
  • 6 Обнаружение
  • 7 Эволюционное изменение
    • 7.1 Происхождение промоторов de novo
  • 8 Диабет
  • 9 Связывание
    • 9.1 Местоположение
  • 10 Заболевания, связанные с аберрантной функцией
  • 11 CpG-островки в промоторах
  • 12 Метилирование CpG островки стабильно подавляют гены
  • 13 Гипер / гипометилирование промотора CpG при раке
  • 14 Канонические последовательности и дикий тип
  • 15 Заболевания, которые могут быть связаны с вариациями
  • 16 Конститутивное против регулируемого
  • 17 Использование термина
  • 18 См. также
  • 19 Ссылки
  • 20 Внешние ссылки

Обзор

Для того, чтобы произошла транскрипция, фермент, который синтезирует РНК, известный как РНК-полимераза, должен прикрепить к ДНК рядом с геном. Промоторы содержат специфические последовательности ДНК, такие как элементы ответа, которые обеспечивают безопасный начальный сайт связывания для РНК-полимеразы и для белков, называемых факторами транскрипции, которые рекрутируют РНК-полимеразу. Эти факторы транскрипции имеют определенные последовательности активатора или репрессора соответствующих нуклеотидов, которые прикрепляются к конкретным промоторам и регулируют экспрессию генов.

В бактериях
Промотор распознается РНК-полимеразой и ассоциированным сигма-фактором, которые, в свою очередь, часто передаются в ДНК промотора посредством связывания белка-активатора с его собственным Сайт связывания ДНК рядом.
У эукариот
Процесс более сложен, и для связывания РНК-полимеразы II <167 необходимы как минимум семь различных факторов>к промотору.

Промоторы представляют собой важные элементы, которые могут работать совместно с другими регуляторными областями (энхансеры, сайленсеры, граничные элементы / инсуляторы ) управлять уровнем транскрипции данного гена. Промотор индуцируется в ответ на изменения в количестве или конформации регуляторных белков в клетке, что позволяет активирующим факторам транскрипции рекрутировать РНК-полимеразу.

Идентификация относительного местоположения

Поскольку промоторы обычно немедленно рядом с рассматриваемым геном, положения в промоторе обозначены относительно сайта начала транскрипции, где транскрипция ДНК начинается для конкретного гена (т. е. положения вверху представляют собой отрицательные числа, считая от -1, для пример -100 - позиция 100 пар оснований выше).

Относительное расположение в ядре клетки

Похоже, что в ядре клетки промоторы распределены преимущественно на краю хромосомных территорий, вероятно, для совместной экспрессии генов на разных хромосомах. Кроме того, у людей промоторы демонстрируют определенные структурные особенности, характерные для каждой хромосомы.

Элементы

Эукариотический

  • Промотор ядра - минимальная часть промотора, необходимая для правильной инициации транскрипции
  • Проксимальный промотор - проксимальная последовательность перед геном, которая имеет тенденцию содержать первичные регуляторные элементы.
  • Дистальный промотор - дистальная последовательность выше гена, которая может содержать дополнительные регуляторные элементы, часто с более слабым влиянием, чем проксимальный промотор
    • Что-либо еще выше (но не энхансер или другая регуляторная область, влияние которой не зависит от положения / ориентации)
    • Сайты связывания специфических факторов транскрипции

Бактериальные

In бактерии, промотор содержит два коротких элемента последовательности примерно 10 (Pribnow Box ) и 35 нуклеотидов выше сайта начала транскрипции.

  • Последовательность в -10 (элемент -10) имеет консенсусную последовательность TATAAT.
  • Последовательность в -35 (элемент -35) имеет консенсусную последовательность TTGACA.
  • Вышеупомянутые консенсусные последовательности, хотя и консервативны в среднем, не обнаруживаются интактными в большинстве промоторов. В среднем только от 3 до 4 из 6 пар оснований в каждой консенсусной последовательности обнаруживаются в любом данном промоторе. На сегодняшний день идентифицировано несколько естественных промоторов, которые обладают интактными консенсусными последовательностями как на -10, так и на -35; Было обнаружено, что искусственные промоторы с полной консервацией элементов -10 и -35 транскрибируются с более низкими частотами, чем промоторы с несколькими несовпадениями с консенсусом.
  • Оптимальное расстояние между последовательностями -35 и -10 составляет 17 bp.
  • Некоторые промоторы содержат один или несколько субсайтов вышестоящего промоторного элемента (UP-элемента) (консенсусная последовательность 5'-AAAAAARNR-3 'при центрировании в области -42; консенсусная последовательность 5' -AWWWWWTTTTT-3 'при центрировании в области -52; W = A или T; R = A или G; N = любое основание).

Указанные выше промоторные последовательности распознаются только РНК-полимеразой голоферментом содержащий сигма-70. Холоферменты РНК-полимеразы, содержащие другие сигма-факторы, распознают различные коровые промоторные последовательности.

<-- upstream downstream -->5'-XXXXXXXPPPPPPXXXXXXPPPPPPXXXGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGATAGGGGGGGGGGGGGGGGGGGATAGATAGGGGGGGGGGGGGGGGGGGATAGGATA% -48% -48% встречаемости <% -48%>% -48% трансформации гена T19 % 82%
для последовательности -35 TTGACA 69% 79% 61% 56% 54% 54%

Эукариотические

Эукариотические промоторы разнообразны, и их трудно охарактеризовать, однако недавние исследования показывают, что они делятся на более чем 10 классов.

Десять классов эукариотических промоторов и их представитель . Типичные классы эукариотических промоторов показаны в следующих разделах: (A) класс на основе AT, (B) класс на основе CG, (C) класс ATCG-compact, (D) класс ATCG-сбалансированный, (E) ATCG-средний класс, (F) класс без ATCG, (G) класс без AT, (H) класс CG-шипов, (I) класс без CG и (J) класс AT-шипов.

Промоторы генов обычно расположены выше ген и может иметь регуляторные элементы на расстоянии нескольких килобаз от сайта начала транскрипции (энхансеры). У эукариот транскрипционный комплекс может заставлять ДНК загибаться назад, что позволяет размещать регуляторные последовательности далеко от фактического места транскрипции. Промоторы, зависимые от РНК-полимеразы II эукариот, могут содержать элемент TATA (консенсусная последовательность TATAAA), который распознается общим фактором транскрипции TATA. -связывающий белок (ТВР); и элемент распознавания B (BRE), который распознается общим фактором транскрипции TFIIB. Элемент TATA и BRE обычно расположены близко к сайту начала транскрипции (обычно в пределах от 30 до 40 пар оснований).

Регуляторные последовательности промотора эукариот обычно связывают белки, называемые факторами транскрипции, которые участвуют в образовании транскрипционного комплекса. Примером может служить E-box (последовательность CACGTG), который связывает факторы транскрипции из семейства basic helix-loop-helix (bHLH) (например, BMAL1-Clock, cMyc ). Некоторые промоторы, на которые нацелены множественные факторы транскрипции, могут достичь гиперактивного состояния, что приведет к увеличению транскрипционной активности.

Двунаправленные (млекопитающие)

Двунаправленные промоторы короткие (<1 kbp) intergenic regions of ДНК между 5'-концы генов в двунаправленной паре генов. «Двунаправленная пара генов» относится к двум соседним генам, кодируемым на противоположных цепях, с их 5'-концами, ориентированными друг к другу. Два гена часто функционально связаны, и модификация их общей промоторной области позволяет им совместно регулироваться и, таким образом, коэкспрессироваться. Двунаправленные промоторы являются общей чертой геномов млекопитающих . Около 11% людей гены спарены двунаправленно.

Спаренные двунаправленно гены в базе данных Gene Ontology совместно используют по крайней мере одну назначенную базой данных функциональную категорию со своими партнерами в 47% случаев. Микромассив анализ показал, что спаренные в двух направлениях гены коэкспрессируются с высокой r степени, чем случайные гены или соседние однонаправленные гены. Хотя коэкспрессия не обязательно указывает на совместную регуляцию, было показано, что метилирование двунаправленных областей промотора подавляет оба гена, а деметилирование усиливает оба гена. Однако есть исключения. В некоторых случаях (около 11%) экспрессируется только один ген из двунаправленной пары. В этих случаях промотор участвует в подавлении неэкспрессируемого гена. Механизмом этого может быть конкуренция за те же полимеразы или модификация хроматина. Дивергентная транскрипция может сдвинуть нуклеосомы для усиления транскрипции одного гена или удалить связанные факторы транскрипции для подавления транскрипции одного гена.

Некоторые функциональные классы генов с большей вероятностью будут спарены в двух направлениях, чем другие. Гены, участвующие в репарации ДНК, в пять раз чаще регулируются двунаправленными промоторами, чем однонаправленными. белки-шапероны в три раза более вероятны, а митохондриальные гены более чем в два раза. Многие основные гены домашнего хозяйства и гены клеточного метаболизма регулируются двунаправленными промоторами. Чрезмерное количество двунаправленно спаренных генов репарации ДНК связывает эти промоторы с раком. Сорок пять процентов человеческих соматических онкогенов, по-видимому, регулируются двунаправленными промоторами - значительно больше, чем гены, не вызывающие рак. Гиперметилирование промоторов между парами генов WNT9A / CD558500, CTDSPL / BC040563 и KCNK15 / BF195580 было связано с опухолями.

В двунаправленных промоторах наблюдались определенные характеристики последовательностей, включая отсутствие TATA-боксов, обилие островков CpG и симметрия вокруг средней точки доминирующих Cs и As с одной стороны и Gs и Ts с другой. Недавно было показано, что мотив с консенсусной последовательностью TCTCGCGAGA, также называемый the, управляет двунаправленной транскрипцией, управляемой PolII, в островках CpG. CCAAT-боксы встречаются часто, как и во многих промоторах, в которых отсутствуют блоки TATA. Кроме того, мотивы , NRF-1, GABPA, YY1 и ACTACAnnTCCC представлены в двунаправленных промоторах со значительно более высокой скоростью, чем в однонаправленных промоторах. Отсутствие блоков ТАТА в двунаправленных промоторах предполагает, что блоки ТАТА играют роль в определении направленности промоторов, но контрпримеры двунаправленных промоторов действительно обладают блоками ТАТА, а однонаправленные промоторы без них указывают на то, что они не могут быть единственным фактором.

Хотя термин «двунаправленный промотор» относится конкретно к промоторным областям генов, кодирующих мРНК, анализы люциферазы показали, что более половины генов человека не имеют сильного направленного смещения. Исследования показывают, что некодирующие РНК часто связаны с промоторными областями генов, кодирующих мРНК. Была выдвинута гипотеза, что рекрутирование и инициация РНК-полимеразы II обычно начинается двунаправленно, но дивергентная транскрипция останавливается на контрольной точке позже во время элонгации. Возможные механизмы, лежащие в основе этой регуляции, включают последовательности в промоторной области, модификацию хроматина и пространственную ориентацию ДНК.

Субгеномный

Субгеномный промотор - это промотор, добавляемый к вирусу для специфического гетерологичный ген, приводящий к образованию мРНК только для этого гена. Многие вирусы с положительной РНК продуцируют эти субгеномные мРНК (sgRNA) в качестве одного из распространенных методов заражения, используемых этими вирусами, и обычно транскрибируют поздние вирусные гены. Субгеномные промоторы варьируются от 24 нуклеотидов (вирус Синдбис ) до более 100 нуклеотидов (вирус некротической желтой жилки свеклы ) и обычно находятся перед началом транскрипции.

Обнаружение

Было разработано большое количество разнообразных алгоритмов для облегчения обнаружения промоторов в геномной последовательности, и предсказание промотора является общим элементом многих методов предсказания генов. Промоторная область расположена перед консенсусными последовательностями -35 и -10. Чем ближе промоторная область к консенсусным последовательностям, тем чаще будет иметь место транскрипция этого гена. Не существует установленного образца для промоторных областей, как для консенсусных последовательностей.

Эволюционное изменение

Суперпозиция между распределениями промоторов из Homo sapiens, Drosophila melanogaster, Oryza sativa и Arabidopsis thaliana. Области красного цвета представляют собой консервативные промоторные последовательности.

Изменения в промоторных последовательностях имеют решающее значение для эволюции, на что указывает относительно стабильное количество генов во многих клонах. Например, у большинства позвоночных примерно одинаковое количество кодирующих белок генов (около 20 000), последовательность которых часто высококонсервативна, поэтому большая часть эволюционных изменений должна происходить из-за изменений в экспрессии генов.

De novo происхождение гена. промоторы

Учитывая короткие последовательности большинства промоторных элементов, промоторы могут быстро развиваться из случайных последовательностей. Например, в E. coli, ~ 60% случайных последовательностей могут развивать уровни экспрессии, сравнимые с lac промотором дикого типа, только с одной мутацией, и что ~ 10% случайных последовательностей могут служить активными промоторами даже без эволюции.

Диабет

Другие недавние исследования показывают, что промоторы генов могут быть основной причиной диабета. Промоторы генов, связанных с диабетом, по данным общегеномных ассоциативных исследований (GWAS), специфичны для каждого фенотипа. Это наблюдение показывает, что промоторы этих генов используют специфические факторы транскрипции для каждого диабета фенотип.

Связывание

Инициирование транскрипции - это многоэтапный последовательный процесс, в котором задействовано несколько механизмов. : расположение промотора, начальное обратимое связывание РНК-полимеразы, конформационные изменения в РНК-полимеразе, конформационные изменения в ДНК, связывание нуклеозидтрифосфата (NTP) с функциональным комплексом РНК-полимераза-промотор и непродуктивное и продуктивное начало синтеза РНК.

Процесс связывания промотора имеет решающее значение для понимания процесса экспрессии генов.

Местоположение

Хотя РНК-полимераза холоэнзим проявляет высокое сродство к неспецифическим сайтам ДНК, эта характеристика не позволяет нам прояснить процесс локализации промотора. Этот процесс локализации промотора был приписан структуре холофермента к ДНК и сигма 4 к комплексам ДНК.

Заболевания, связанные с аберрантной функцией

Большинство заболеваний неоднородны по причине, что означает, что одно «Болезнь» часто представляет собой множество различных заболеваний на молекулярном уровне, хотя проявляемые симптомы и реакция на лечение могут быть идентичными. То, как болезни различного молекулярного происхождения реагируют на лечение, частично рассматривается в дисциплине фармакогеномики.

Здесь не перечислены многие виды рака, включающие аберрантную регуляцию транскрипции из-за создания химерных генов посредством патологических хромосомная транслокация. Важно отметить, что вмешательство в количество или структуру белков, связанных с промотором, является одним из ключей к лечению заболевания, не влияя на экспрессию неродственных генов, разделяющих элементы с целевым геном. Некоторые гены, изменение которых нежелательно, способны влиять на способность клетки стать злокачественной.

CpG-островки в промоторах

У людей около 70% промоторов расположены рядом с сайтом начала транскрипции гена (проксимальные промоторы) содержат островок CpG. CpG-островки обычно имеют длину от 200 до 2000 пар оснований, содержат>50% пар оснований C: G и имеют участки ДНК, где цитозин нуклеотида следует за нуклеотидом гуанина, и это часто встречается в линейной последовательности оснований вдоль его 5 '→ 3' direction.

Дистальные промоторы также часто содержат CpG-островки, такие как промотор гена репарации ДНК ERCC1, где промотор, содержащий CpG-островки, расположен примерно на 5400 нуклеотидов выше кодирующей области гена ERCC1. CpG-островки также часто встречаются в промоторах для функциональных некодирующих РНК, таких как микроРНК.

Метилирование CpG-островков стабильно заглушает гены

У людей метилирование ДНК происходит в 5 'положении пиримидинового кольца цитозиновых остатков в сайтах CpG с образованием 5-метилцитозинов. Присутствие множественных метилированных сайтов CpG на островках CpG промоторов вызывает стабильное молчание генов. Молчание гена может быть инициировано другими механизмами, но это часто сопровождается метилированием сайтов CpG на промоторном островке CpG, что вызывает стабильное молчание гена.

Гипер / гипометилирование CpG промотора при раке

Как правило, при прогрессировании рака сотни генов заглушаются или активируются. Хотя подавление некоторых генов при раке происходит в результате мутации, большая часть подавления канцерогенного гена является результатом измененного метилирования ДНК (см. метилирование ДНК при раке ). Метилирование ДНК, вызывающее молчание при раке, обычно происходит во множественных сайтах CpG в островках CpG, которые присутствуют в промоторах генов, кодирующих белок.

Измененные экспрессии микроРНК также заглушают или активируют многие гены при прогрессировании рака (см. микроРНК при раке ). Измененная экспрессия микроРНК происходит за счет гипер / гипометилирования сайтов CpG в островках CpG в промоторах, контролирующих транскрипцию микроРНК.

замалчивание ДНК гены репарации посредством метилирования CpG-островков в их промоторах, по-видимому, особенно важны при прогрессировании рака (см. метилирование генов репарации ДНК при раке ).

Канонические последовательности и дикого типа

Использование термина каноническая последовательность для обозначения промотора часто проблематично и может привести к неправильному пониманию промоторных последовательностей. Канонический в некотором смысле подразумевает совершенное.

В случае сайта связывания фактора транскрипции может существовать единственная последовательность, которая связывает белок наиболее прочно в определенных клеточных условиях. Это можно назвать каноническим.

Однако естественный отбор может способствовать менее энергичному связыванию как способу регуляции транскрипционного выхода. В этом случае мы можем назвать наиболее распространенную последовательность в популяции последовательностью дикого типа. Это может быть даже не самая выгодная последовательность в преобладающих условиях.

Недавние данные также указывают на то, что некоторые гены (включая протоонкоген c-myc ) имеют мотивы G-квадруплекса в качестве потенциальных регуляторных сигналов..

Заболевания, которые могут быть связаны с вариациями

Некоторые случаи многих генетических заболеваний связаны с вариациями промоторов или факторов транскрипции.

Примеры включают:

Конститутивный против регулируемого

Некоторые промоторы называются конститутивными, поскольку они активны при любых обстоятельствах в клетка, в то время как другие регулируются, становясь активными в клетке только в ответ на специфические стимулы.

Использование термина

Говоря о промоутере, некоторые авторы фактически имеют в виду промотор + оператор ; то есть промотор lac индуцируется IPTG, что означает, что помимо промотора lac также присутствует оператор lac. Если бы оператор lac не присутствовал, IPTG не имел бы индуцируемого эффекта. Другой пример - система Tac-Promoter (Ptac). Обратите внимание, как tac записывается как промотор tac, тогда как на самом деле tac на самом деле является и промотором, и оператором.

См. Также

Ссылки

Внешние ссылки

На Викискладе есть средства массовой информации, связанные с Генетические промоторные регионы.
Последняя правка сделана 2021-06-02 08:09:04
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте