Изолированный район

В млекопитающих биологии петель , изолированные районы представляют собой структуры хромосомных образованные в результате физического взаимодействия двух локусов ДНК , связанных фактором транскрипции CTCF и совместно занятых когезином . [ 1 ] Считается, что изолированные районы являются структурными и функциональными единицами генного контроля , поскольку их целостность важна для нормальной регуляции генов. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что эти структуры образуют механистическую основу хромосомных структур более высокого порядка, включая топологически ассоциированные домены (TADs). Изолированные окрестности функционально важны для понимания регуляции генов в нормальных клетках и нарушения регуляции экспрессии генов при заболеваниях.
Нацеливание на ген-энхансер
[ редактировать ]генов млекопитающих Транскрипция обычно контролируется энхансерами . [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] Энхансеры могут регулировать транскрипцию генов на больших расстояниях, создавая петлю для физического контакта с генами-мишенями. Это свойство энхансеров затрудняет идентификацию целевого гена(ов) энхансера. Инсуляторы , другой тип регуляторного элемента ДНК, ограничивают способность энхансера нацеливаться на дистальные гены, когда инсулятор расположен между энхансером и потенциальной мишенью. [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] У млекопитающих инсуляторы связываются CTCF, [ 11 ] но только меньшинство сайтов, связанных с CTCF, действуют как изоляторы. [ 12 ] Молекулы CTCF могут образовывать гомодимеры на ДНК, которые могут быть связаны когезином; эта структура петли хроматина помогает ограничить способность энхансеров внутри петли нацеливаться на гены вне петли. Петли с CTCF и когезином в начале и конце петли, которые ограничивают нацеливание на ген-энхансер, представляют собой «изолированные окрестности».
Функция
[ редактировать ]Изолированные окрестности определяются как петли хромосом, которые образованы гомодимерами CTCF , связанными с когезином и содержащими по крайней мере один ген. [ 13 ] [ 14 ] Области, связанные с CTCF/когезином, ограничивающие изолированное окружение, называются «якорями». человека Одно исследование эмбриональных стволовых клеток выявило около 13 000 изолированных районов, каждый из которых в среднем содержал три гена и имел размер около 90 КБ. [ 15 ] Две линии доказательств утверждают, что границы изолированных районов являются изолирующими: 1) подавляющее большинство (~ 90-97%) взаимодействий энхансер-ген содержится внутри изолированных районов и 2) генетическое возмущение CTCF / связанных с когезином якорей изолированного окружения. приводит к локальной дисрегуляции генов из-за новых взаимодействий за пределами района.
Большинство изолированных районов, по-видимому, сохраняется во время развития, поскольку связывание CTCF и структуры петель CTCF-CTCF очень похожи для разных типов клеток человека. [ 16 ] [ 17 ] Хотя расположение многих изолированных соседних структур сохраняется в разных типах клеток, взаимодействия энхансер-ген, происходящие внутри них, специфичны для типа клеток, что согласуется со специфичной для типа клеток активностью энхансеров. [ 18 ] [ 19 ]
Ассоциация с ТАД
[ редактировать ]Топологически ассоциированные домены (TAD) представляют собой области размером в мегабазу с относительно высокими частотами взаимодействия ДНК. [ 20 ] [ 21 ] Механистические исследования показывают, что TAD представляют собой отдельные изолированные кварталы или группы изолированных кварталов. [ 22 ]
Актуальность в отношении болезней человека
[ редактировать ]Генетические и эпигенетические вариации изолированных якорей соседства связаны с несколькими заболеваниями человека. Одно исследование генетического варианта, связанного с астмой, нарушает связывание CTCF и образование изолированного окружения. [ 23 ] Исследования импринтированных локусов показали, что метилирование ДНК контролирует петли, заякоренные в CTCF, регулирующие экспрессию генов. Лица с аберрациями метилирования в импринтированном сайте связывания CTCF рядом с IGF2/H19 образуют аберрантные изолированные окрестности и развивают синдром Беквита-Видемана (когда оба аллеля имеют отцовский тип изолированного соседства) или синдром Сильвера-Рассела (когда оба аллеля имеют материнский тип). изолированного района). [ 24 ]
Изолированные районы помогают идентифицировать целевые гены вариантов энхансеров, связанных с заболеванием. Большинство вариантов ДНК, связанных с заболеваниями, выявленных в ходе полногеномных исследований ассоциаций, встречаются в энхансерах. [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] Идентификация генов-мишеней энхансеров с вариантами, связанными с заболеванием, была трудной, поскольку энхансеры могут действовать на больших расстояниях, но ограничение нацеливания на ген-энхансер с помощью изолированных районов уточняет предсказание генов-мишеней. Например, вариант ДНК, связанный с диабетом 2 типа, встречается в энхансере, расположенном между генами CDC123 и CAMK1D, но влияет только на CAMK1D, поскольку этот ген и энхансер находятся в одном и том же изолированном районе, тогда как CDC123 находится вне этого района. [ 29 ] [ 30 ]
Соматические мутации , которые изменяют изолированные соседние якоря, могут способствовать онкогенезу . Хромосомные изменения, такие как транслокации , делеции и тандемные дупликации, пересекающиеся с изолированными соседними якорными сайтами, могут активировать онкогены . [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] Эпигенетическая дисрегуляция также может способствовать онкогенезу за счет изменения изолированных районов. IDH с мутацией Глиомы демонстрируют измененный характер метилирования ДНК, поэтому связывание CTCF, которое зависит от метилирования ДНК, также изменяется. [ 34 ] Изменение связывания CTCF нарушает изолированные районы и может привести к неправильной регуляции онкогена.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Хниш, Д; День, ДС; Янг, РА (17 ноября 2016 г.). «Изолированные районы: структурные и функциональные единицы контроля генов млекопитающих» . Клетка . 167 (5): 1188–1200. дои : 10.1016/j.cell.2016.10.024 . ПМК 5125522 . ПМИД 27863240 .
- ^ Бюкер, К; Высоцкая, Дж (июнь 2012 г.). «Усилители как центры интеграции информации в развитии: уроки геномики» . Тенденции в генетике . 28 (6): 276–284. дои : 10.1016/j.tig.2012.02.008 . ПМК 5064438 . ПМИД 22487374 .
- ^ Хайнц, С; Романоски, CE; Беннер, К; Стекло, СК (март 2015 г.). «Выбор и функция энхансеров, специфичных для типа клеток» . Nature Reviews Молекулярно-клеточная биология . 16 (3): 144–154. дои : 10.1038/nrm3949 . ПМЦ 4517609 . ПМИД 25650801 .
- ^ Левин, М; Каттольо, К; Тцзян, Р. (27 марта 2014 г.). «Петля назад, чтобы прыгнуть вперед: транскрипция вступает в новую эру» . Клетка . 157 (1): 13–25. дои : 10.1016/j.cell.2014.02.009 . ПМК 4059561 . ПМИД 24679523 .
- ^ Онг, Коннектикут; Корсес, В.Г. (апрель 2011 г.). «Функция усилителя: новое понимание регуляции экспрессии тканеспецифичных генов» . Обзоры природы Генетика . 12 (4): 283–293. дои : 10.1038/nrg2957 . ПМК 3175006 . ПМИД 21358745 .
- ^ Рен, Б; Юэ, Ф (2015). «Усилители транскрипции: соединение генома и фенома» . Симпозиумы Колд-Спринг-Харбор по количественной биологии . 80 : 17–26. дои : 10.1101/sqb.2015.80.027219 . ПМИД 26582789 .
- ^ Чунг, Дж. Х.; Уайтли, М; Фельзенфельд, Г. (13 августа 1993 г.). «5'-элемент домена бета-глобина курицы служит изолятором в эритроидных клетках человека и защищает от позиционного эффекта у дрозофилы». Клетка . 74 (3): 505–514. дои : 10.1016/0092-8674(93)80052-г . ПМИД 8348617 . S2CID 45876439 .
- ^ Гейер, ПК; Корсес, В.Г. (октябрь 1992 г.). «Позиционно-специфическая репрессия транскрипции белком цинкового пальца дрозофилы» . Гены и развитие . 6 (10): 1865–1873. дои : 10.1101/гад.6.10.1865 . ПМИД 1327958 .
- ^ Келлум, Р; Шедль, П. (8 марта 1991 г.). «Анализ эффекта положения для границ хромосомных доменов более высокого порядка». Клетка . 64 (5): 941–950. дои : 10.1016/0092-8674(91)90318-с . ПМИД 1848159 . S2CID 43485905 .
- ^ Удвардий, А; Мэн, Э; Шедль, П. (20 сентября 1985 г.). «Хромомера 87A7. Идентификация новых структур хроматина, фланкирующих локус теплового шока, которые могут определять границы доменов более высокого порядка». Журнал молекулярной биологии . 185 (2): 341–358. дои : 10.1016/0022-2836(85)90408-5 . ПМИД 2997449 .
- ^ Белл, AC; Вест, АГ; Фельзенфельд, Г. (6 августа 1999 г.). «Белок CTCF необходим для блокирования энхансеров инсуляторов позвоночных» . Клетка . 98 (3): 387–396. дои : 10.1016/s0092-8674(00)81967-4 . ПМИД 10458613 .
- ^ Лю, М; Маурано, Монтана; Ван, Х; Ци, Ч; Песня, Чехия; Навас, Пенсильвания; Эмери, Д.В.; Стаматояннопулос, JA ; Стаматояннопулос, Г. (февраль 2015 г.). «Геномное открытие мощных изоляторов хроматина для генной терапии человека». Природная биотехнология . 33 (2): 198–203. дои : 10.1038/nbt.3062 . ПМИД 25580597 . S2CID 19587760 .
- ^ Дауэн, Дж. М.; Фан, ЗП; Хниш, Д; Рен, Дж; Авраам, Би Джей; Чжан, Л.Н.; Вайнтрауб, АО; Шуйерс, Дж; Ли, ТИ; Чжао, К; Янг, РА (9 октября 2014 г.). «Контроль генов клеточной идентичности происходит в изолированных районах хромосом млекопитающих» . Клетка . 159 (2): 374–387. дои : 10.1016/j.cell.2014.09.030 . ПМК 4197132 . ПМИД 25303531 .
- ^ Джи, Х; Дадон, Д.Б.; Пауэлл, Бельгия; Фан, ЗП; Борхес-Ривера, Д; Шачар, С; Вайнтрауб, АО; Гниш, Д; Пегораро, Дж; Ли, ТИ; Мистели, Т; Йениш, Р; Янг, РА (4 февраля 2016 г.). «Трехмерный ландшафт регуляции хромосом в плюрипотентных клетках человека» . Клеточная стволовая клетка . 18 (2): 262–275. дои : 10.1016/j.stem.2015.11.007 . ПМЦ 4848748 . ПМИД 26686465 .
- ^ Джи, Х; Дадон, Д.Б.; Пауэлл, Бельгия; Фан, ЗП; Борхес-Ривера, Д; Шачар, С; Вайнтрауб, АО; Гниш, Д; Пегораро, Дж; Ли, ТИ; Мистели, Т; Йениш, Р; Янг, РА (4 февраля 2016 г.). «Трехмерный ландшафт регуляции хромосом в плюрипотентных клетках человека» . Клеточная стволовая клетка . 18 (2): 262–75. дои : 10.1016/j.stem.2015.11.007 . ПМЦ 4848748 . ПМИД 26686465 .
- ^ Джи, Х; Дадон, Д.Б.; Пауэлл, Бельгия; Фан, ЗП; Борхес-Ривера, Д; Шачар, С; Вайнтрауб, АО; Гниш, Д; Пегораро, Дж; Ли, ТИ; Мистели, Т; Йениш, Р; Янг, РА (4 февраля 2016 г.). «Трехмерный ландшафт регуляции хромосом в плюрипотентных клетках человека» . Клеточная стволовая клетка . 18 (2): 262–75. дои : 10.1016/j.stem.2015.11.007 . ПМЦ 4848748 . ПМИД 26686465 .
- ^ Кудапа, С; Джоти, Р; Шонес, Делавэр; Ро, Тайвань; Цюи, К; Чжао, К. (январь 2009 г.). «Глобальный анализ инсуляторсвязывающего белка CTCF в областях барьера хроматина выявляет разграничение активных и репрессивных доменов» . Геномные исследования . 19 (1): 24–32. дои : 10.1101/гр.082800.108 . ПМК 2612964 . ПМИД 19056695 .
- ^ Джи, Х; Дадон, Д.Б.; Пауэлл, Бельгия; Фан, ЗП; Борхес-Ривера, Д; Шачар, С; Вайнтрауб, АО; Гниш, Д; Пегораро, Дж; Ли, ТИ; Мистели, Т; Йениш, Р; Янг, РА (4 февраля 2016 г.). «Трехмерный ландшафт регуляции хромосом в плюрипотентных клетках человека» . Клеточная стволовая клетка . 18 (2): 262–75. дои : 10.1016/j.stem.2015.11.007 . ПМЦ 4848748 . ПМИД 26686465 .
- ^ Смит, Э.М.; Ладжуа, БР; Джайн, Дж; Деккер, Дж. (7 января 2016 г.). «Инвариантные границы TAD ограничивают специфичные для типа клеток циклические взаимодействия между промоторами и дистальными элементами вокруг локуса CFTR» . Американский журнал генетики человека . 98 (1): 185–201. дои : 10.1016/j.ajhg.2015.12.002 . ПМЦ 4716690 . ПМИД 26748519 .
- ^ Диксон-младший; Сельварадж, С; Юэ, Ф; Ким, А; Ли, Ю; Шен, Ю; Ху, М; Лю, Дж. С.; Рен, Б. (11 апреля 2012 г.). «Топологические домены в геномах млекопитающих, выявленные путем анализа взаимодействий хроматина» . Природа . 485 (7398): 376–80. Бибкод : 2012Natur.485..376D . дои : 10.1038/nature11082 . ПМЦ 3356448 . ПМИД 22495300 .
- ^ Нора, EP; Ладжуа, БР; Шульц, Э.Г.; Джорджетти, Л; Окамото, я; Слуга, Н; Пиолот, Т; ван Беркум, Нидерланды; Мейзиг, Дж; Седат, Дж; Грибнау, Дж; Барийо, Э; Блютген, Н; Деккер, Дж ; Херд, Э. (11 апреля 2012 г.). «Пространственное разделение регуляторного ландшафта центра Х-инактивации» . Природа . 485 (7398): 381–5. Бибкод : 2012Natur.485..381N . дои : 10.1038/nature11049 . ПМЦ 3555144 . ПМИД 22495304 .
- ^ Джи, Х; Дадон, Д.Б.; Пауэлл, Бельгия; Фан, ЗП; Борхес-Ривера, Д; Шачар, С; Вайнтрауб, АО; Гниш, Д; Пегораро, Дж; Ли, ТИ; Мистели, Т; Йениш, Р; Янг, РА (4 февраля 2016 г.). «Трехмерный ландшафт регуляции хромосом в плюрипотентных клетках человека» . Клеточная стволовая клетка . 18 (2): 262–75. дои : 10.1016/j.stem.2015.11.007 . ПМЦ 4848748 . ПМИД 26686465 .
- ^ Тан, З; Луо, О.Дж.; Ли, Х; Чжэн, М; Чжу, Джей-Джей; Саладж, П; Тшаскома, П; Магальска, А; Влодарчик, Дж; Рущицкий, Б; Михальский, П; Пикуч, Э; Ван, П; Ван, Д; Тянь, СЗ; Пенрад-Мобаед, М; Сакс, Л.М.; Руан, Х; Вэй, CL; Лю, ET; Вильчински, генеральный менеджер; Плевчинский, Д; Ли, Г; Руан, Ю. (17 декабря 2015 г.). «3D-архитектура генома человека, опосредованная CTCF, раскрывает топологию хроматина для транскрипции» . Клетка . 163 (7): 1611–27. дои : 10.1016/j.cell.2015.11.024 . ПМЦ 4734140 . ПМИД 26686651 .
- ^ Нативио, Р; Спараго, А; Ито, Ю; Вексберг, Р; Риччио, А; Мюррелл, А. (1 апреля 2011 г.). «Нарушение геномного соседства в импринтированном локусе IGF2-H19 при синдроме Беквита-Видемана и синдроме Сильвера-Рассела» . Молекулярная генетика человека . 20 (7): 1363–74. дои : 10.1093/hmg/ddr018 . ПМК 3049359 . ПМИД 21282187 .
- ^ Эрнст, Дж; Херадпур, П; Миккельсен, Т.С.; Шореш, Н; Уорд, LD; Эпштейн, CB; Чжан, X; Ван, Л; Исснер, Р; Койн, М; Ку, М; Дарем, Т; Келлис, М; Бернштейн, Бельгия (5 мая 2011 г.). «Картирование и анализ динамики состояния хроматина в девяти типах клеток человека» . Природа . 473 (7345): 43–9. Бибкод : 2011Natur.473...43E . дои : 10.1038/nature09906 . ПМК 3088773 . ПМИД 21441907 .
- ^ Фарх, КК; Марсон, А; Чжу, Дж; Кляйневитфельд, М; Хаусли, штат Вашингтон; Бейк, С; Шореш, Н; Уиттон, Х; Райан, Р.Дж.; Шишкин А.А.; Хатан, М; Карраско-Альфонсо, MJ; Майер, Д; Лаки, CJ; Патсопулос, Н.А.; Де Ягер, Польша; Качроо, В.К.; Эпштейн, CB; Дейли, MJ; Хафлер, Д.А.; Бернштейн, Бельгия (19 февраля 2015 г.). «Генетическое и эпигенетическое точное картирование причинных вариантов аутоиммунных заболеваний» . Природа . 518 (7539): 337–43. Бибкод : 2015Natur.518..337F . дои : 10.1038/nature13835 . ПМК 4336207 . ПМИД 25363779 .
- ^ Хниш, Д; Авраам, Би Джей; Ли, ТИ; Лау, А; Сен-Андре, В; Сигова, А.А.; Хок, штат Ха; Янг, РА (7 ноября 2013 г.). «Суперусилители в контроле идентичности клеток и заболеваний» . Клетка . 155 (4): 934–47. дои : 10.1016/j.cell.2013.09.053 . ПМК 3841062 . ПМИД 24119843 .
- ^ Маурано, Монтана; Гумберт, Р; Райнс, Э; Турман, Р.Э.; Хауген, Э; Ван, Х; Рейнольдс, AP; Сандстрем, Р; Цюй, Х; Броуди, Дж; Шафер, А; Нери, Ф; Лук-порей; Кутявин Т; Стелинг-Сан, С; Джонсон, АК; Кэнфилд, Теннесси; Гисте, Э; Дигель, М; Бейтс, Д; Хансен, РС; Неф, С; Сабо, Пи Джей; Хаймфельд, С; Раубичек, А; Зиглер, С; Котсапас, К; Сотоодения, Н; Гласс, я; Сюняев, СР; Каул, Р; Стаматояннопулос, Дж. А. (7 сентября 2012 г.). «Систематическая локализация распространенных вариаций регуляторной ДНК, связанных с заболеванием» . Наука . 337 (6099): 1190–5. Бибкод : 2012Sci...337.1190M . дои : 10.1126/science.1222794 . ПМЦ 3771521 . ПМИД 22955828 .
- ^ Фогарти, член парламента; Кэннон, Мэн; Вадламуди, С; Голтон, Кей Джей; Мольке, КЛ (11 сентября 2014 г.). «Идентификация регуляторного варианта, который связывает FOXA1 и FOXA2 в локусе GWAS диабета 2 типа CDC123/CAMK1D» . ПЛОС Генетика . 10 (9): e1004633. дои : 10.1371/journal.pgen.1004633 . ПМЦ 4161327 . ПМИД 25211022 .
- ^ GTEx, Консорциум. (8 мая 2015 г.). «Геномика человека. Пилотный анализ экспрессии генотипа и ткани (GTEx): регуляция мультитканевых генов у людей» . Наука . 348 (6235): 648–60. Бибкод : 2015Sci...348..648. . дои : 10.1126/science.1262110 . ПМЦ 4547484 . ПМИД 25954001 .
- ^ Грёшель, С; Сандерс, Массачусетс; Хугенбозем, Р.; де Вит, Э; Бауман, бакалавр; Эрпелинк, К; ван дер Фельден, В.Х.; Хаверманс, М; Авеллино, Р; ван Лом, К; Ромбаутс, Э.Дж.; ван Дуин, М; Дёнер, К; Беверлоо, HB; Брэднер, Дж. Э.; Дёнер, Х; Левенберг, Б; Валк, ПиДжей; Биндельс, Э.М.; де Лаат, В; Делвел, Р. (10 апреля 2014 г.). «Одна перестройка онкогенного энхансера вызывает сопутствующую дерегуляцию EVI1 и GATA2 при лейкемии» . Клетка . 157 (2): 369–81. дои : 10.1016/j.cell.2014.02.019 . ПМИД 24703711 .
- ^ Хниш, Д; Вайнтрауб, АО; День, ДС; Валтон, Алабама; Бак, Р.О.; Ли, CH; Гольдманн, Дж; Ладжуа, БР; Фан, ЗП; Сигова, А.А.; Редди, Дж; Борхес-Ривера, Д; Ли, ТИ; Йениш, Р; Портеус, Миннесота; Деккер, Дж ; Янг, РА (25 марта 2016 г.). «Активация протоонкогенов путем разрушения окрестностей хромосом» . Наука . 351 (6280): 1454–8. Бибкод : 2016Sci...351.1454H . дои : 10.1126/science.aad9024 . ПМЦ 4884612 . ПМИД 26940867 .
- ^ Вайшенфельдт, Иоахим; Дубаш, Тарониш; Дринас, Александрос П.; Мардин, Балка Р.; Чен, Юаньюань; Штютц, Адриан М.; Васак, Себсатян М.; Боско, Грациелла; Халворсен, Энн Р.; Редер, Бенджамин; Эфтимиопулос, Теохарис; Эркек, Серап; Сигл, Кристина; Бреннер, Герман; Брустугун, Одд Т.; Дитер, Себастьян М; Норткотт, Пол А.; Петерсен, Ивер; Пфистер, Стефан М.; Шнайдер, Мартин; Сольберг, Стейнар К.; Туниссен, Эрик; Вейхерт, Вилко; Зихер, Томас; Томас, роман; Пайпер, Мартин; Хелланд, Аслауг; Болл, Клаудия Р.; Йехлингер, Мартин; Сотильо, Росио; Эмбер, Ханно; Корбель, Ян О. (2016). «Панараковый анализ изменений числа соматических копий указывает на участие IRS4 и IGF2 в захвате энхансера» . Природная генетика . 49 (1): 65–74. дои : 10.1038/ng.3722 . ПМК 5791882 . ПМИД 27869826 .
- ^ Флавахан, Вашингтон; Дьер, Ю; Лиау, Б.Б.; Гиллеспи, С.М.; Вентайхер, А.С.; Штеммер-Рахамимов, АО; Сува, ML; Бернштейн, Бельгия (7 января 2016 г.). «Инсуляторная дисфункция и активация онкогенов в глиомах с мутацией IDH» (PDF) . Природа . 529 (7584): 110–4. Бибкод : 2016Natur.529..110F . дои : 10.1038/nature16490 . ПМЦ 4831574 . ПМИД 26700815 .