Регуляторная последовательность
![]() | Изображения этой статьи могут потребовать регулировки изображений размещения , форматирования и размера . ( Февраль 2022 г. ) |
- Регуляторная последовательность это сегмент молекулы нуклеиновой кислоты , которая способна увеличивать или уменьшать экспрессию специфических генов в организме. Регуляция экспрессии генов является важной особенностью всех живых организмов и вирусов.
Описание
[ редактировать ]
|
В ДНК регуляция экспрессии генов обычно происходит на уровне биосинтеза РНК ( транскрипция ). Это достигается посредством специфического связывания белков ( факторов транскрипции ), которые активируют или ингибируют транскрипцию. Факторы транскрипции могут действовать как активаторы , репрессоры или оба. Репрессоры часто действуют, предотвращая образование продуктивного комплекса с областью инициации транскрипции ( промотор ), в то время как активаторы облегчают образование продуктивного комплекса. Кроме того, было показано, что мотивы ДНК прогнозируют эпигеномные модификации, что позволяет предположить, что факторы транскрипции играют роль в регуляции эпигенома . [ 2 ]
В РНК регуляция может происходить на уровне биосинтеза белка ( трансляция ), расщепления РНК, сплайсинга РНК или завершения транскрипции. Регуляторные последовательности часто ассоциируются с молекулами РНК (мРНК) мессенджера (мРНК), где они используются для контроля биогенеза или трансляции мРНК. Разнообразие биологических молекул может связываться с РНК для выполнения этой регуляции, включая белки (например, трансляционные репрессоры и факторы сплайсинга), другие молекулы РНК (например, miRNA ) и мелкие молекулы , в случае рибосвитчи .
Активация и реализация
[ редактировать ]Регуляторная последовательность ДНК не регулируется, если она не активирована. Различные регуляторные последовательности активируются, а затем реализуют их регуляцию различными механизмами.
Активация и реализация усиления
[ редактировать ]
Экспрессия генов у млекопитающих может быть активирована, когда сигналы передаются промоторам, связанным с генами. Цис -регуляторные последовательности ДНК , которые расположены в областях ДНК, отдаленных от промоторов генов, могут оказывать очень большое влияние на экспрессию генов, причем некоторые гены подвергаются до 100 раз повышенную экспрессию из -за такой цисрегуляторной последовательности. [ 3 ] Эти цис -регуляторные последовательности включают энхансеры , глушители , изоляторы и привязанные элементы. [ 4 ] Среди этого созвездия последовательностей усилители и связанные с ними белки транскрипционных факторов играют ведущую роль в регуляции экспрессии генов. [ 5 ]
Энхансеры -это последовательности генома, которые являются основными ген-регуляторными элементами. Энхансеры контролируют программы экспрессии генов специфичных клеток, чаще всего путем зацикливания через большие расстояния, которые находятся в физической близости с промоторами их целевых генов. [ 6 ] В исследовании корковых нейронов головного мозга было обнаружено 24 937 петли, что привело к промоторам усилителей. [ 3 ] Множественные усилители, каждый из которых часто в десятках или сотнях тысяч нуклеотидов, отдаленных от их генов -мишеней, перецироваться с их промоторами генов -мишеней и координируют друг с другом для контроля экспрессии их общего гена -мишени. [ 6 ]
Схематическая иллюстрация в этом разделе показывает, как усилитель, зацикливаясь вокруг, чтобы прийти в тесную физическую близость с промотором целевого гена. Петля стабилизируется димером разъема белка (например, димер CTCF или YY1 ), причем один член димера прикреплен к его связывающему мотиву на энхансере, а другой, прикрепленный к его связывающему мотиву на промоторе (представленным Красные зигзаги на иллюстрации). [ 7 ] Несколько специфических белков транскрипционных факторов функции клеток (в 2018 году Lambert et al. Указал, что в клетке человека было около 1600 факторов транскрипции. [ 8 ] ), как правило, связываются с конкретными мотивами на энхансере [ 9 ] и небольшая комбинация этих факторов транскрипции, связанных с энхансером, когда она приближается к промотору с помощью петли ДНК, управляет уровнем транскрипции целевого гена. Медиатор (коактиватор) (комплекс, обычно состоящий из примерно 26 белков в взаимодействующей структуре), передает регуляторные сигналы от энхансерных ДНК-связанных факторов транскрипции непосредственно с ферментом РНК-полимеразы II (RNAP II), связанного с промотором. [ 10 ]
Энхансеры, когда они активны, обычно транскрибируются из обеих нитей ДНК с РНК -полимеразами, действующими в двух разных направлениях, продуцируя два ERNAS, как показано на рисунке. [ 11 ] Неактивный энхансер может быть связан неактивным фактором транскрипции. Фосфорилирование фактора транскрипции может активировать его и что активированный фактор транскрипции может затем активировать энхансер, с которым он связан (см. Маленькую красную звезду, представляющую фосфорилирование фактора транскрипции, связанного с энхансером на иллюстрации). [ 12 ] Активированный энхансер начинает транскрипцию своей РНК перед активацией промотора для инициирования транскрипции РНКсенджера из ее гена -мишени. [ 13 ]
Метилирование и деметилирование острова CPG
[ редактировать ]
5-метилцитозин (5-MC) представляет собой метилированную форму ДНК основания цитозина (см. Рисунок). 5-MC является эпигенетическим маркером, обнаруживаемым преимущественно на цитозинах в динуклеотидах CPG, которые состоят из цитозина, сопровождается гуанином в направлении от 5 до 3 'вдоль цепи ДНК ( сайты CPG ). Около 28 миллионов динуклеотидов CPG встречаются в геноме человека. [ 14 ] В большинстве тканей млекопитающих в среднем от 70% до 80% цитозинов CPG метилируются (образуя 5-метил-CPG или 5-MCPG). [ 15 ] Метилированные цитозины в последовательностях CPG часто встречаются в группах, называемых островами CPG . Около 59% последовательностей промотора имеют остров CPG, в то время как только около 6% последовательностей энхансеров имеют остров CPG. [ 16 ] Острова CPG составляют регуляторные последовательности, поскольку, если острова CPG метилируются в промоторе гена, это может уменьшить или замолчать экспрессию генов. [ 17 ]
Метилирование ДНК регулирует экспрессию генов посредством взаимодействия с белками домена метила (MBD), такими как MECP2, MBD1 и MBD2. Эти белки MBD наиболее сильно связываются с высокометилированными островами CPG . [ 18 ] Эти белки MBD имеют как метил-CPG-связывающий домен, так и домен репрессии транскрипции. [ 18 ] Они связываются с метилированной ДНК и направляют или прямые белковые комплексы с ремоделированием хроматина и/или модификацией гистонов на метилированные острова CPG. Белки MBD обычно репрессируют локальный хроматин с помощью таких как катализирование введения репрессивных марок гистонов или создание общей репрессивной хроматиновой среды посредством ремоделирования нуклеосом и реорганизации хроматина. [ 18 ]
Факторы транскрипции - это белки, которые связываются со специфическими последовательностями ДНК, чтобы регулировать экспрессию данного гена. Последовательность связывания для транскрипционного фактора в ДНК обычно составляет около 10 или 11 нуклеотидов длиной. Существует около 1400 различных факторов транскрипции, кодируемых в геноме человека, и они составляют около 6% всех генов, кодирующих белок человека. [ 19 ] Около 94% сайтов связывания транскрипционных факторов, которые связаны с генами, чувствительными к сигналам, встречаются у энхансеров, в то время как у промоторов встречается только около 6% таких сайтов. [ 9 ]
EGR1 является фактором транскрипции, важным для регуляции метилирования островов CPG. Сайт связывания фактора транскрипции EGR1 часто расположен в энхансере или промоторных последовательностях. [ 20 ] В геноме млекопитающих насчитывается около 12 000 сайтов связывания EGR1, и около половины сайтов связывания EGR1 расположены у промоторов и половины усилителей. [ 20 ] Связывание EGR1 с сайтом связывания ДНК -мишени нечувствительно к метилированию цитозина в ДНК. [ 20 ]
В то время как только небольшие количества белка EGR1 обнаруживаются в клетках, которые не стимулированы, трансляция EGR1 в белок через час после того, как стимуляция заметно повышена. [ 21 ] Экспрессия EGR1 в различных типах клеток может стимулировать факторы роста, нейротрансмиттеры, гормоны, стресс и травмы. [ 21 ] В мозге, когда нейроны активируются, белки EGR1 активируются, и они связываются с (рекрутирующими) ранее существовавшими ферментами TET1, которые высоко экспрессируются в нейронах. Тет-ферменты могут катализировать деметилирование 5-метилцитозина. Когда факторы транскрипции EGR1 приносят ферменты TET1 в сайты связывания EGR1 у промоторов, ферменты TET могут деметилизировать метилированные острова CPG у этих промоторов. После деметилирования эти промоторы могут затем инициировать транскрипцию своих целевых генов. Сотни генов в нейронах дифференциально экспрессируются после активации нейронов посредством рекрутирования EGR1 TET1 для метилированных регуляторных последовательностей у их промоторов. [ 20 ]
Активация с помощью разрывов с двойной или одной цепью
[ редактировать ]Около 600 регуляторных последовательностей у промоторов и около 800 регуляторных последовательностей в энхансерах, по-видимому, зависят от разрывов с двумя целями, инициированными топоизомеразой 2β (TOP2B) для активации. [ 22 ] [ 23 ] Индукция конкретных двойных разрывов является специфической по отношению к индуцирующему сигналу. Когда нейроны активируются in vitro , в их геномах возникают всего 22 TOP2B-индуцированные разрывы. [ 24 ] Однако, когда контекстная кондиционирование страха проводится у мыши, эта кондиционирование вызывает сотни DSB, ассоциированных с генами, в медиальной префронтальной коре и гиппокампе, которые важны для обучения и памяти. [ 25 ]

Такие двойные разрывы, индуцированные TOP2B, сопровождаются по меньшей мере четырьмя ферментами нехомологичного конца соединения (NHEJ) репарации ДНК (ДНК-PKCS, KU70, KU80 и ДНК-лигаза IV) (см. Рисунок). Эти ферменты восстанавливают разрывы с двумя целями в течение примерно 15 минут до 2 часов. [ 24 ] [ 26 ] Таким образом, двойные разрывы в промоторе связаны с TOP2B и, по крайней мере, эти четыре восстановления фермента. Эти белки присутствуют одновременно на одной промоторной нуклеосоме (в последовательности ДНК, обернутых вокруг одной нуклеосомы, расположено около 147 нуклеотидов, расположенных рядом с местом начала транскрипции их гена -мишени. [ 26 ]
Двойной разрыв, введенный TOP2B, по-видимому, освобождает часть промотора на участке начала транскрипции, основанного на РНК-полимеразе, чтобы физически перейти к связанному энхансеру. Это позволяет энхансеру с его связанными факторами транскрипции и медиаторными белками, непосредственно взаимодействовать с РНК -полимеразой, которая была приостановлена на участке начала транскрипции для запуска транскрипции. [ 24 ] [ 10 ]
Точно так же ферменты топоизомеразы I (TOP1), по-видимому, расположены во многих усилителях, и эти усилители становятся активируемыми, когда TOP1 представляет собой разрыв с одной цепью. [ 27 ] TOP1 вызывает разрывы в отдельных целях, в частности, регуляторные последовательности ДНК энхансера, когда сигнализируется специфическим энхансер-связывающим фактором транскрипции. [ 27 ] Разрывы топоизомеразы I связаны с различными факторами репарации ДНК, чем те, которые окружают разрывы TOP2B. В случае TOP1 разрывы наиболее сразу ассоциируются с ферментами репарации ДНК MRE11 , RAD50 и ATR . [ 27 ]
Примеры
[ редактировать ]Геномы могут быть систематически проанализированы для идентификации регуляторных областей. [ 28 ] Консервативные некодирующие последовательности часто содержат регуляторные области, и поэтому они часто являются предметом этих анализов.
- Каат коробка
- CCAAT Box
- Оператор (биология)
- Прибыль коробка
- Tata Box
- Secis Item , MRNA
- Полиаденилирование сигнал, мРНК
- А-box
- Z-box
- C-box
- Электронная коробка
- G-box
Инсулин ген
[ редактировать ]Регуляторные последовательности для гена инсулина являются: [ 29 ]
- A5
- С
- отрицательный регулирующий элемент (NRE) [ 30 ]
- C2
- E2
- A3
- Элемент ответа лагеря
- A2
- Связывание энхансера CAAT (CEB)
- C1
- E1
- G1
Смотрите также
[ редактировать ]- Регулятор ген
- Регуляция экспрессии генов
- Цис -действительный элемент
- Ген регуляторная сеть
- Открытая база данных аннотации регулирования
- Оперон
- Сайт связывания ДНК
- Промоутер
- Транс -фактор
- Ореганно
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а беременный Шафи, Томас; Лоу, Рохан (2017). «Эукариотическая и прокариотическая структура генов» . Викиджурнал медицины . 4 (1). doi : 10.15347/wjm/2017.002 . ISSN 2002-4436 .
- ^ Whitaker JW, Zhao Chen, Wei Wang. (2014) прогнозирование человеческого эпигенома из мотивов ДНК. Природные методы. doi: 10.1038/nmeth.3065
- ^ Jump up to: а беременный Биган JA, Pastuzyn ED, Fernandez LR, Guo MH, Feng K, Titus KR, et al. (Июнь 2020 г.). «Трехмерная реструктуризация генома во времена экспрессии нейрональных генов, индуцированной активностью» . Nature Neuroscience . 23 (6): 707–717. doi : 10.1038/s41593-020-0634-6 . PMC 7558717 . PMID 32451484 .
- ^ Verheul TC, Van Hijfte L, Perenthaler E, Barakat TS (2020). «Почему YY1: механизмы регуляции транскрипции с Инь Ян 1» . Границы в клеточной биологии и развитии . 8 : 592164. DOI : 10.3389/fcell.2020.592164 . PMC 7554316 . PMID 33102493 .
- ^ Spitz F, Furlong EE (сентябрь 2012 г.). «Факторы транскрипции: от усиления энхансера с контролем развития». Природные обзоры. Генетика . 13 (9): 613–26. doi : 10.1038/nrg3207 . PMID 22868264 . S2CID 205485256 .
- ^ Jump up to: а беременный Schoenfelder S, Fraser P (август 2019 г.). «Контакты с энхансером дальнего действия в контроле экспрессии генов». Природные обзоры. Генетика . 20 (8): 437–455. doi : 10.1038/s41576-019-0128-0 . PMID 31086298 . S2CID 152283312 .
- ^ Weintraub AS, Li CH, Zamudio AV, Sigova AA, Hannett NM, Day DS, et al. (Декабрь 2017). «YY1-структурный регулятор петлей-энхансер-промотера» . Клетка . 171 (7): 1573–1588.e28. doi : 10.1016/j.cell.2017.11.008 . PMC 5785279 . PMID 29224777 .
- ^ Ламберт С.А., Джольма А., Кампителли Л.Ф., Дас П.К., Инь Й., Альбу М. и др. (Февраль 2018 г.). «Человеческие факторы транскрипции» . Клетка . 172 (4): 650–665. doi : 10.1016/j.cell.2018.01.029 . PMID 29425488 .
- ^ Jump up to: а беременный Гроссман С.Р., Энгрейц Дж., Рэй Дж.П., Нгуен Т. Т., Хакохен Н., Ландерс (июль 2018 г.). «Позиционная специфичность различных классов факторов транскрипции в усилителях» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 115 (30): E7222 - E7230. doi : 10.1073/pnas.1804663115 . PMC 6065035 . PMID 29987030 .
- ^ Jump up to: а беременный Аллен Бл, Таатджес DJ (март 2015 г.). «Комплекс медиатора: центральный интегратор транскрипции» . Природные обзоры. Молекулярная клеточная биология . 16 (3): 155–66. doi : 10.1038/nrm3951 . PMC 4963239 . PMID 25693131 .
- ^ Михайлихенко О., Бондаренко В., Харнетт Д., Шор И.Е., мужчины М., Виалес Р.Р., Фарлонг Е.Е. (январь 2018). «Степень энхансерной или промоторной активности отражается на уровнях и направленности транскрипции ERNA» . Гены и развитие . 32 (1): 42–57. doi : 10.1101/gad.308619.117 . PMC 5828394 . PMID 29378788 .
- ^ Li QJ, Yang SH, Maeda Y, Sladek FM, Sharrocks AD, Martins-Green M (январь 2003 г.). «Зависимая от фосфорилирования MAP-киназа активация ELK-1 приводит к активации ко-активатора p300» . Embo Journal . 22 (2): 281–91. doi : 10.1093/emboj/cdg028 . PMC 140103 . PMID 12514134 .
- ^ Carullo NV, Phillips III RA, Simon RC, Soto SA, Hinds JE, Salisbury AJ, et al. (Сентябрь 2020 г.). «Enhancer RNAs предсказывают регуляторные связи с энхансером-геном и имеют решающее значение для функции энхансер в нейрональных системах» . Исследование нуклеиновых кислот . 48 (17): 9550–9570. doi : 10.1093/nar/gkaa671 . PMC 7515708 . PMID 32810208 .
- ^ Lövkvist C, Dodd IB, Sneppen K, Haerter Jo (июнь 2016 г.). «Метилирование ДНК в эпигеномах человека зависит от локальной топологии сайтов CPG» . Исследование нуклеиновых кислот . 44 (11): 5123–32. doi : 10.1093/nar/gkw124 . PMC 4914085 . PMID 26932361 .
- ^ Джаббари К., Бернарди Г (май 2004 г.). «Метилирование цитозина и CPG, TPG (CPA) и частоты TPA». Ген . 333 : 143–9. doi : 10.1016/j.gene.2004.02.043 . PMID 15177689 .
- ^ Steanhaus R, Gonzalez T, Seelow D, Robinson PN (июнь 2020 г.). «Распространенные и CPG-зависимые промоторные характеристики транскрибируемых энхансеров» . Исследование нуклеиновых кислот . 48 (10): 5306–5317. doi : 10.1093/nar/gkaa223 . PMC 7261191 . PMID 32338759 .
- ^ Птица А (январь 2002 г.). «Паттерны метилирования ДНК и эпигенетическая память» . Гены и развитие . 16 (1): 6–21. doi : 10.1101/gad.947102 . PMID 11782440 .
- ^ Jump up to: а беременный в Du Q, Luu PL, Stirzaker C, Clark SJ (2015). «Метил-CPG-связывающие доменные белки: читатели эпигенома» . Эпигеномика . 7 (6): 1051–73. doi : 10.2217/epi.15.39 . PMID 25927341 .
- ^ Vaquerizas JM, Kummerfeld SK, Teichmann SA, Luscombe NM (апрель 2009 г.). «Перепись факторов транскрипции человека: функция, экспрессия и эволюция». Природные обзоры. Генетика . 10 (4): 252–63. doi : 10.1038/nrg2538 . PMID 19274049 . S2CID 3207586 .
- ^ Jump up to: а беременный в дюймовый Sun Z, Xu X, He J, Murray A, Sun Ma, Wei X, et al. (Август 2019). «EGR1 рекрутирует TET1 для формирования метилома мозга во время развития и на нейрональной активности» . Природная связь . 10 (1): 3892. Bibcode : 2019natco..10.3892S . doi : 10.1038/s41467-019-11905-3 . PMC 6715719 . PMID 31467272 .
- ^ Jump up to: а беременный Кубосаки А., Томару Ю., Тагами М., Арнер Е., Миура Х., Сузуки Т. и др. (2009). «Обще геном исследования сайтов связывания in vivo egr-1 в моноцитарной дифференцировке» . Биология генома . 10 (4): R41. doi : 10.1186/gb-2009-10-4-r41 . PMC 2688932 . PMID 19374776 .
- ^ Dellino GI, Palluzzi F, Chiariello AM, Piccioni R, Bianco S, Furia L, et al. (Июнь 2019). «Высвобождение приостановленной РНК-полимеразы II в специфических локусах способствует двойным разрыву ДНК и способствует транслокациям рака» . Природа генетика . 51 (6): 1011–1023. doi : 10.1038/s41588-019-0421-z . PMID 31110352 . S2CID 159041612 .
- ^ Сингх С., Шлахта К., Манукьян А., Раймер Х.М., Динда М., Бекиранов С., Ван Й.Х. (март 2020 г.). «Приостановка сайтов РНК-полимеразы II на активно транскрибированных генах обогащается в двухцепочечных разрывах ДНК» . J Biol Chem . 295 (12): 3990–4000. doi : 10.1074/jbc.ra119.011665 . PMC 7086017 . PMID 32029477 .
- ^ Jump up to: а беременный в Мадабхуши Р., Гао Ф., Пфеннинг А.Р., Пан Л., Ямакава С., Сео Дж. И др. (Июнь 2015 г.). «Индуцированные активностью разрывы ДНК определяют экспрессию генов раннего реагирования нейронов» . Клетка . 161 (7): 1592–605. doi : 10.1016/j.cell.2015.05.032 . PMC 4886855 . PMID 26052046 .
- ^ Stott RT, Kritsky O, Tsai LH (2021). «Профилирование мест разбивания ДНК и изменения транскрипции в ответ на контекстуальное обучение страха» . Plos один . 16 (7): E0249691. Bibcode : 2021ploso..1649691S . doi : 10.1371/journal.pone.0249691 . PMC 8248687 . PMID 34197463 .
- ^ Jump up to: а беременный Ju Bg, Lunyak VV, Perissi V, Garcia-Bassets I, Rose DW, Glass CK, Rosenfeld MG (июнь 2006 г.). «Опосредованный топоизомеразой IIBETA разрыв дцДНК, необходимый для регулируемой транскрипции». Наука . 312 (5781): 1798–802. Bibcode : 2006sci ... 312.1798J . doi : 10.1126/science.1127196 . PMID 16794079 . S2CID 206508330 .
- ^ Jump up to: а беременный в Puc J, Kozbial P, Li W, Tan Y, Liu Z, Suter T, et al. (Январь 2015). «Лиганд-зависимая активация энхансера, регулируемая активностью топоизомеразы-I» . Клетка . 160 (3): 367–80. doi : 10.1016/j.cell.2014.12.023 . PMC 4422651 . PMID 25619691 .
- ^ Степанова М., Тиачелова Т., Скоблов М., Баранова А (май 2005 г.). «Сравнительный анализ относительного возникновения сайтов связывания фактора транскрипции в геномах позвоночных и областей промотора генов» . Биоинформатика . 21 (9): 1789–96. doi : 10.1093/bioinformatics/bti307 . PMID 15699025 .
- ^ Melloul D, Marshak S, Cerasi E (март 2002 г.). «Повторная трансструкция инсулина гена » Диабетология 45 (3): 309–2 Doi : 10.1007/s0125-001-0728-y . PMID 11914736
- ^ Jang WG, Kim EJ, Park KG, Park YB, Choi HS, Kim HJ, et al. (Январь 2007 г.). «Репрессия глюкокортикоидного рецептора, опосредованная репрессией экспрессии гена инсулина человека, регулируется PGC-1альфа». Биохимическая и биофизическая исследовательская коммуникация . 352 (3): 716–21. doi : 10.1016/j.bbrc.2006.11.074 . PMID 17150186 .