Бивалент (генетика)

Бивалент – это одна пара хромосом (гомологичных хромосом) в тетраде . Тетрада — это ассоциация пары гомологичных хромосом (4 сестринских хроматид), физически удерживаемых вместе хотя бы одним кроссинговером ДНК . Это физическое прикрепление позволяет выравнивать и разделять гомологичные хромосомы в первом мейотическом делении. У большинства организмов каждая реплицированная хромосома (состоящая из двух идентичных сестринских хроматид ) вызывает образование двухцепочечных разрывов ДНК во время фазы лептотены. Эти разрывы восстанавливаются путем гомологичной рекомбинации , при которой гомологичная хромосома используется в качестве матрицы для восстановления. Поиск гомологичной мишени, которому способствуют многочисленные белки, называемые синаптонемным комплексом , приводит к спариванию двух гомологов между лептотеновой и пахитенной фазами мейоза I.

Формирование

Образование бивалента происходит во время первого деления мейоза (на стадии зиготены 1-й профазы мейоза). У большинства организмов каждая реплицируемая хромосома (состоящая из двух идентичных сестринских хроматид) ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}) вызывает образование двухцепочечных разрывов ДНК во время лептотеновой фазы. ^{[ 3 ]} Эти разрывы восстанавливаются путем гомологичной рекомбинации , при которой гомологичная хромосома используется в качестве матрицы для восстановления. Поиск гомологичной мишени, которому способствуют многочисленные белки, называемые синаптонемным комплексом , приводит к спариванию двух гомологов между лептотеновой и пахитенной фазами мейоза I. ^{[ 4 ]} Разрешение промежуточного продукта рекомбинации ДНК в кроссовер приводит к обмену сегментами ДНК между двумя гомологичными хромосомами в месте, называемом хиазмой (множественное число: хиазмы) . Этот физический обмен цепями и сцепление между сестринскими хроматидами вдоль каждой хромосомы обеспечивают надежное спаривание гомологов в диплотенной фазе. Структура, видимая под микроскопом, называется бивалентной. ^{[ 5 ]} Разрешение промежуточного продукта рекомбинации ДНК в кроссовер приводит к обмену сегментами ДНК между двумя гомологичными хромосомами в месте, называемом хиазмой (множественное число: хиазмы) . Этот физический обмен цепями и сцепление между сестринскими хроматидами вдоль каждой хромосомы обеспечивают надежное спаривание гомологов в диплотенной фазе. Структура, видимая под микроскопом, называется бивалентной. Сложный молекулярный механизм лежит в основе регуляции экспрессии генов в каждой клетке. На начальных стадиях развития организма скоординированная активация различных программ транскрипции имеет решающее значение и должна тщательно выполняться для формирования каждого органа и ткани. Бивалентные промоторы и энхансеры представляют собой регуляторные области, украшенные гистоновыми метками, которые связаны как с положительными, так и с отрицательными результатами транскрипции. Наконец, мы подчеркиваем потенциальную связь между бивалентностью и раком, которая может стимулировать биомедицинские исследования этиологии и лечения заболеваний.

Информация одного гена должна быть различной в разных типах клеток для достижения основной программы в этом разнообразии. Хроматин является носителем инструкций, а также ДНК, окруженная гистонами, демонстрирует влияние нуклеосомы, которая, как мы видим, является основной единицей. Упаковка дает информацию о регуляции нуклеосомы физического барьера, они показывают влияние на ремоделирующие части хроматина, N-концевые части гистоновых частиц, гистоновые хвосты, ковалентные посттрансляционные модификации, а также создают эпигенетику [PCG] и [TRXG] играют первоначальную роль. Роль этих мутаций, вызванных в группах трансформацией у дрозофилы, показывает четкую информацию.

Структура

Бивалент – это ассоциация двух реплицированных гомологичных хромосом, обменявшихся цепью ДНК по крайней мере в одном сайте, называемом хиазмами. Каждый бивалент содержит минимум одну хиазму и редко более трех. Это ограниченное число (намного меньше, чем количество инициированных разрывов ДНК) обусловлено интерференцией кроссовера , плохо изученным явлением, которое ограничивает количество преобразований событий репарации в кроссовер вблизи другого ранее существовавшего результата кроссовера, тем самым ограничивая общее количество количество кроссоверов на пару гомологов. ^{[ 4 ]} Бивалент – это ассоциация двух реплицированных гомологичных хромосом, обменявшихся цепью ДНК по крайней мере в одном сайте, называемом хиазмами. Каждый бивалент содержит минимум одну хиазму и редко более трех. Это ограниченное число (намного меньше, чем количество инициированных разрывов ДНК) обусловлено интерференцией кроссовера , плохо изученным явлением, которое ограничивает количество разрешений событий репарации в кроссовер вблизи другого ранее существовавшего результата кроссовера, тем самым ограничивая общее количество количество кроссоверов на пару гомологов. Бивалентный ген представляет собой ген, отмеченный эпигенетической модификацией как H3K4me3, так и H3K27me3 в одной и той же области такого типа, и, как предполагается, играет ключевую роль, связанную с плюрипотентностью в эмбриональных стволовых (ES) клетках. Бивалентные промоторы, отмеченные модификациями гистонов H3K27me3 и H3K4me3, характерны для сбалансированных промоторов в эмбриональных стволовых (ES) клетках. Модель сбалансированных промоторов постулирует, что двухвалентный хроматин в ES-клетках преобразуется в моновалентность при дифференцировке. При наличии данных секвенирования одноклеточной РНК (scRNA-seq) последующие переключения состояния транскрипции на двухвалентных промоторах можно изучить более внимательно.

Функция

В мейотической метафазе I цитоскелет подвергает биваленты напряжению, тянуя каждый гомолог в противоположном направлении (в отличие от митотического деления, при котором силы воздействуют на каждую хроматиду). Закрепление цитоскелета к хромосомам происходит в центромере благодаря белковому комплексу, называемому кинетохором . Это напряжение приводит к выравниванию бивалента в центре клетки, хиазмам и дистальному сплочению сестринских хроматид, являющихся опорной точкой, поддерживающей силу, действующую на всю структуру. Впечатляет то, что первичные ооциты самок человека остаются в этом напряженном состоянии на протяжении десятилетий (от формирования ооцита в метафазе I во время эмбрионального развития до овуляции во взрослом возрасте, которая возобновляет мейотическое деление), подчеркивая прочность хиазм и сплоченность, которые удержать биваленты вместе. Клеточная транскрипция регулирует гены развития. Мы разрабатываем подход к захвату генов, подвергающихся переключению транскрипции, путем обнаружения «бимодальных» паттернов экспрессии генов на основе данных scRNA-seq. Мы интегрируем идентификацию бимодальных генов в дифференцировке ES-клеток с анализом состояния хроматина и затем идентифицируем четкие зависимые от состояния клетки паттерны бимодальных, бивалентных генов. Мы показываем, что бинаризация бимодальных генов может быть использована для идентификации дифференциально экспрессируемых генов по дробным пропорциям ВКЛ/ВЫКЛ. На основе данных временных рядов дифференцирующихся клеток мы строим аппроксимацию псевдовремени и используем скрытую модель Маркова, чтобы сделать вывод о псевдовременах переключения активности генов, которые мы используем для вывода о регуляторной сети. Мы идентифицируем пути переключения во время дифференцировки, новые детали этих путей и координацию транскрипционных факторов с нижестоящими мишенями.

Выводы: Гены, уровни экспрессии которых слишком низки, чтобы быть информативными в обычном анализе scRNA, могут быть использованы для вывода о сетях переключения транскрипции, которые связывают транскрипционную активность с состоянием хроматина. с анализом состояния хроматина и затем идентифицируют четкие закономерности бимодальных, бивалентных генов, зависящие от состояния клеток. Мы показываем, что бинаризация бимодальных генов может быть использована для идентификации дифференциально экспрессируемых генов по дробным пропорциям ВКЛ/ВЫКЛ. На основе данных временных рядов дифференцирующихся клеток мы строим аппроксимацию псевдовремени и используем скрытую модель Маркова, чтобы сделать вывод о псевдовременах переключения активности генов, которые мы используем для вывода о регуляторной сети. Мы идентифицируем пути переключения во время дифференцировки, новые детали этих путей и координацию транскрипционных факторов с нижестоящими мишенями. Это открывает новые и продуктивные способы определения регуляторных сетей на основе данных scRNA-seq.

Ключевые слова: Бимодальность; Бивалентность; состояние хроматина; Эмбриональные стволовые клетки; Регуляторная сеть генома; Скрытая марковская модель; Псевдовремя; scRNA-секв.

Ссылки

^ Леферс, Марк. «Факультет молекулярных биологических наук Северо-Западного университета» . Проверено 26 сентября 2015 г.
^ «Кафедра биохимии и молекулярной биофизики Университета Аризоны» . Биологический проект . Проверено 26 сентября 2015 г.
^ Падмор, Р.; Цао, Л.; Клекнер, Н. (20 сентября 1991 г.). «Временное сравнение рекомбинации и образования синаптонемных комплексов во время мейоза у S. cerevisiae». Клетка . 66 (6): 1239–1256. дои : 10.1016/0092-8674(91)90046-2 . ISSN 0092-8674 . ПМИД 1913808 . S2CID 20771360 .
^ Jump up to: ^а ^б Зиклер, Дениз; Клекнер, Нэнси (01 июня 2015 г.). «Рекомбинация, спаривание и синапсис гомологов во время мейоза» . Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии . 7 (6): а016626. doi : 10.1101/cshperspect.a016626 . ISSN 1943-0264 . ПМЦ 4448610 . ПМИД 25986558 .
^ Джонс, Гарет Х.; Франклин, Ф. Крис Х. (28 июля 2006 г.). «Мейотический кроссинговер: обязательство и вмешательство» . Клетка . 126 (2): 246–248. дои : 10.1016/j.cell.2006.07.010 . ISSN 0092-8674 . ПМИД 16873056 .

Бланко Э., Гонсалес Рамирес М., Алкаин-Колет А., Аранда — двухвалентный геном; Характеристика структурных тенденций в генетике

. Томсон Дж.А., Ицковиц-Элдор Дж., Шапиро С.С. и др.

. Сантос-Роза Х., Шнайдер Р., Бернштейн Б.Е. и др. Метилирование гистона H3K4

. Ringrose L, ehret H, paro R. Районный вклад гистонов H3 лизина 9 и 27

[NWedu-1] Леферс, Марк. «Факультет молекулярных биологических наук Северо-Западного университета» . Проверено 26 сентября 2015 г.

[ARedu-2] «Кафедра биохимии и молекулярной биофизики Университета Аризоны» . Биологический проект . Проверено 26 сентября 2015 г.

[3] Падмор, Р.; Цао, Л.; Клекнер, Н. (20 сентября 1991 г.). «Временное сравнение рекомбинации и образования синаптонемных комплексов во время мейоза у S. cerevisiae». Клетка . 66 (6): 1239–1256. дои : 10.1016/0092-8674(91)90046-2 . ISSN 0092-8674 . ПМИД 1913808 . S2CID 20771360 .

[Zickler-2015-4] Jump up to: ^а ^б Зиклер, Дениз; Клекнер, Нэнси (01 июня 2015 г.). «Рекомбинация, спаривание и синапсис гомологов во время мейоза» . Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии . 7 (6): а016626. doi : 10.1101/cshperspect.a016626 . ISSN 1943-0264 . ПМЦ 4448610 . ПМИД 25986558 .

[5] Джонс, Гарет Х.; Франклин, Ф. Крис Х. (28 июля 2006 г.). «Мейотический кроссинговер: обязательство и вмешательство» . Клетка . 126 (2): 246–248. дои : 10.1016/j.cell.2006.07.010 . ISSN 0092-8674 . ПМИД 16873056 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]