Изолятор (генетика)

Изолятор известный — это тип цис-регуляторного элемента, дальнего действия как регуляторный элемент . Инсулятор, обнаруженный у многоклеточных эукариот и работающий на расстоянии от промоторного элемента целевого гена, обычно имеет . длину от 300 до 2000 пар оснований ^[1] Инсуляторы содержат кластерные сайты связывания для последовательно-специфичных ДНК-связывающих белков. ^[1] и опосредуют внутри- и межхромосомные взаимодействия . ^[2]

Инсуляторы действуют либо как блокаторы энхансеров , либо как барьер, либо и то, и другое. Механизмы, с помощью которых инсулятор выполняет эти две функции, включают образование петель и модификации нуклеосом . ^[3]^[4] Существует множество примеров инсуляторов, включая инсулятор CTCF , инсулятор gypsy и локус β-глобина . Инсулятор CTCF особенно важен у позвоночных , тогда как инсулятор gypsy задействован у дрозофилы . Локус β-глобина сначала изучали на курице, а затем на людях на предмет его инсуляторной активности, оба из которых используют CTCF. ^[5]

Генетическое значение инсуляторов заключается в их участии в механизме импринтинга и их способности регулировать транскрипцию . Мутации инсуляторов связаны с раком в результате нарушения регуляции клеточного цикла , опухолевого генеза и подавления активности супрессоров роста.

Функция

Изоляторы выполняют две основные функции: ^[3]^[4]

Инсуляторы, блокирующие энхансеры, предотвращают действие дистальных энхансеров на промотор соседних генов.
Барьерные изоляторы предотвращают замалчивание эухроматина , подавляя распространение соседнего гетерохроматина.

В то время как блокирование энхансера классифицируется как межхромосомное взаимодействие, действие барьера классифицируется как внутрихромосомное взаимодействие. Потребность в инсуляторах возникает там, где два соседних гена на хромосоме имеют очень разные транскрипции паттерны ; очень важно, чтобы механизмы индукции или репрессии одного из них не мешали работе соседнего гена. ^[6] Также было обнаружено, что инсуляторы группируются на границах топологически ассоциированных доменов (TAD) и могут играть роль в разделении генома на «хромосомные районы» — геномные области, внутри которых происходит регуляция. ^[7]^[8]

Некоторые изоляторы могут действовать и как блокаторы энхансеров, и как барьеры, а некоторые выполняют только одну из двух функций. ^[3] Некоторые примеры различных изоляторов: ^[3]

Drosophila melanogaster Инсуляторы gypsy и scs scs являются инсуляторами, блокирующими энхансеры.
Gallus Gallus имеет инсуляторы Lys 5' A , которые обладают как энхансер-блокирующей, так и барьерной активностью, а также HS4 , который обладает только энхансер-блокирующей активностью.
Инсуляторы Saccharomyces cerevisiae STAR и UAS _rpg являются барьерными изоляторами.
человека (Homo sapiens) Инсулятор HS5 действует как энхансер-блокатор.

Механизм действия

Изоляторы, блокирующие энхансеры

Аналогичный механизм действия у инсуляторов, блокирующих энхансеры; В ядре образуются домены петли хроматина, разделяющие энхансер и промотор целевого гена. Петлевые домены образуются посредством взаимодействия между блокирующими энхансеры элементами, взаимодействующими друг с другом или закрепляющими волокна хроматина к структурным элементам внутри ядра . ^[4] Действие этих инсуляторов зависит от их положения между промотором гена-мишени и вышестоящим или нижестоящим энхансером. Конкретный способ, которым инсуляторы блокируют энхансеры, зависит от способа действия энхансеров. Энхансеры могут напрямую взаимодействовать со своими целевыми промоутерами посредством закольцовывания. ^[9] (модель прямого контакта), и в этом случае инсулятор предотвращает это взаимодействие за счет образования петлевого домена, который разделяет сайты энхансера и промотора и предотвращает образование петли промотор-энхансер. ^[4] Энхансер также может воздействовать на промотор посредством сигнала (модель отслеживания действия энхансера). Этот сигнал может быть заблокирован инсулятором путем воздействия на нуклеопротеиновый комплекс в основании образования петли. ^[4]

Барьерные изоляторы

Барьерная активность связана с нарушением специфических процессов на пути образования гетерохроматина. Эти типы инсуляторов модифицируют нуклеосомный субстрат в реакционном цикле, который играет центральную роль в образовании гетерохроматина. ^[4] Модификации достигаются за счет различных механизмов, включая удаление нуклеосом , при котором элементы, исключающие нуклеосомы, нарушают распространение гетерохроматина и замалчивание (хроматин-опосредованное замалчивание). Модификация также может быть осуществлена посредством привлечения гистон-ацетилтрансферазы (ов) и АТФ-зависимых комплексов ремоделирования нуклеосом. ^[4]

изолятор CTCF

Инсулятор CTCF, по-видимому, обладает активностью блокирования энхансеров благодаря своей трехмерной структуре. ^[10] и не имеют прямой связи с барьерной активностью. ^[11] В частности, позвоночные животные, по-видимому, в значительной степени полагаются на инсулятор CTCF, однако идентифицировано много различных инсуляторных последовательностей. ^[2] Изолированные окрестности, образованные в результате физического взаимодействия между двумя локусами ДНК, связанными с CTCF, содержат взаимодействия между энхансерами и их генами-мишенями. ^[12]

Регулирование

Одним из механизмов регуляции CTCF является метилирование его последовательности ДНК . Известно, что белок CTCF благоприятно связывается с неметилированными сайтами, поэтому отсюда следует, что метилирование CpG-островков является точкой эпигенетической регуляции . ^[2] Пример этого можно увидеть в импринтированном локусе Igf2-H19 , где метилирование отцовской импринтированной контрольной области (ICR) предотвращает связывание CTCF. ^[13] Второй механизм регуляции заключается в регулировании белков, которые необходимы для полноценного функционирования инсуляторов CTCF. Эти белки включают, помимо прочего, когезин , РНК-полимеразу и CP190. ^[2]^[14]

цыганский изолятор

Инсуляторный элемент, обнаруженный в цыганском ретротранспозоне дрозофилы, представляет собой одну из нескольких детально изученных последовательностей. Инсулятор gypsy можно найти в 5'- нетранслируемой области (UTR) ретротранспозонного элемента. Gypsy влияет на экспрессию соседних генов, ожидающих вставки в новое место генома , вызывая мутантные фенотипы , которые являются тканеспецифичными и присутствуют на определенных стадиях развития. Инсулятор, вероятно, оказывает ингибирующее действие на энхансеры, которые контролируют пространственную и временную экспрессию затронутого гена. ^[15]

β-глобиновый локус

Первые примеры инсуляторов у позвоночных были обнаружены в локусе куриного β-глобина, cHS4 . cHS4 отмечает границу между активным эухроматином в локусе β-глобина и расположенной выше областью гетерохроматина, которая сильно конденсирована и неактивна. Инсулятор cHS4 действует как барьер для хроматин-опосредованного молчания посредством распространения гетерохроматина, а также блокирует взаимодействия между энхансерами и промоторами. Отличительной характеристикой cHS4 является то, что он имеет повторяющуюся гетерохроматическую область на 5'-конце. ^[5]

Гомологом локуса β-глобина человека cHS4 является HS5 . В отличие от локуса β-глобина курицы, локус β-глобина человека имеет открытую структуру хроматина и не окружен 5'-гетерохроматической областью. Считается, что HS5 является генетическим изолятором in vivo , поскольку он обладает как активностью по блокированию энхансеров, так и активностью в отношении трансгенного барьера. ^[5]

CTCF впервые был охарактеризован за его роль в регуляции экспрессии гена β-глобина. В этом локусе CTCF функционирует как инсулятор-связывающий белок, образующий границу хромосом. ^[13] CTCF присутствует как в локусе β-глобина курицы, так и в локусе β-глобина человека. Внутри cHS4 локуса β-глобина курицы CTCF связывается с областью (FII), которая отвечает за блокирующую активность энхансера. ^[5]

Генетические последствия

Импринтинг

Способность энхансеров активировать импринтированные гены зависит от присутствия инсулятора на неметилированном аллеле между двумя генами. Примером этого является импринтированный локус Igf2-H19 . В этом локусе белок CTCF регулирует импринтированную экспрессию путем связывания с неметилированной материнской импринтированной контрольной областью (ICR), но не с отцовской ICR. При связывании с неметилированной материнской последовательностью CTCF эффективно блокирует взаимодействие нижестоящих энхансерных элементов с промотором гена Igf2 , оставляя только ген H19 для экспрессии . ^[13]

Транскрипция

Было высказано предположение, что когда инсуляторные последовательности расположены в непосредственной близости от промотора гена, они могут служить для стабилизации взаимодействий энхансер-промотор. Когда они расположены дальше от промотора, инсуляторные элементы будут конкурировать с энхансером и мешать активации транскрипции . ^[3] Формирование петель часто встречается у эукариот, чтобы сблизить дистальные элементы (энхансеры, промоторы, области локус-контроля ) для взаимодействия во время транскрипции. ^[4] Тогда механизм блокировки энхансеров-инсуляторов, если они находятся в правильном положении, может играть роль в регуляции активации транскрипции. ^[3]

Мутации и рак

Инсуляторы CTCF влияют на экспрессию генов, участвующих в процессах регуляции клеточного цикла , которые важны для роста клеток, дифференцировки клеток и запрограммированной гибели клеток ( апоптоза ). Двумя из этих генов регуляции клеточного цикла, которые, как известно, взаимодействуют с CTCF, являются hTERT и C-MYC. В этих случаях потеря функции мутации гена-инсулятора CTCF меняет характер экспрессии и может повлиять на взаимодействие между ростом клеток, дифференцировкой и апоптозом и привести к опухолевому генезу или другим проблемам. ^[2]

CTCF также необходим для экспрессии гена репрессора опухоли ретинобластомы (Rb), а мутации и делеции этого гена связаны с наследственными злокачественными новообразованиями . Когда сайт связывания CTCF удаляется, экспрессия Rb снижается, и опухоли могут развиваться. ^[2]

Другие гены, кодирующие регуляторы клеточного цикла, включают BRCA1 и p53 , которые являются супрессорами роста, которые подавляются при многих типах рака и чья экспрессия контролируется CTCF. Потеря функции CTCF в этих генах приводит к молчанию супрессора роста и способствует формированию рака. ^[2]

Аберрантная активация инсуляторов может модулировать экспрессию генов, связанных с раком, включая матриксные металлопротеиназы, участвующие в инвазии раковых клеток. ^[16]

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б Эллисон, Лизабет А. (2012). Фундаментальная молекулярная биология . Нью-Джерси: John Wiley & Sons, Inc., стр. 300–301. ISBN 9781118059814 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Ян, Цзинпин; Корсес, Виктор Г. (2011). «Инсуляторы хроматина: роль в ядерной организации и экспрессии генов» . Достижения в области исследований рака . 110 : 43–76. дои : 10.1016/B978-0-12-386469-7.00003-7 . ISBN 9780123864697 . ISSN 0065-230X . ПМК 3175007 . ПМИД 21704228 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Уэст, Адам Г.; Гаснер, Миклош; Фельзенфельд, Гэри (1 февраля 2002 г.). «Изоляторы: много функций, много механизмов» . Гены и развитие . 16 (3): 271–288. дои : 10.1101/gad.954702 . ISSN 0890-9369 . ПМИД 11825869 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Гаснер, Миклош; Фельзенфельд, Гэри (сентябрь 2006 г.). «Инсуляторы: использование транскрипционных и эпигенетических механизмов» . Обзоры природы Генетика . 7 (9): 703–713. дои : 10.1038/nrg1925 . ISSN 1471-0064 . ПМИД 16909129 . S2CID 31291034 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Вай, Альберт В.К.; Гиллеманс, Нинка; Рагуз-Болоньези, Селина; Прузина, Сара; Сафарана, Гаэтано; Мейер, умирает; Филипсен, Сяак; Гросвельд, Фрэнк (1 сентября 2003 г.). «HS5 контрольной области локуса β-глобина человека: граница, специфичная для стадии развития, в эритроидных клетках» . Журнал ЭМБО . 22 (17): 4489–4500. дои : 10.1093/emboj/cdg437 . ISSN 0261-4189 . ПМК 202379 . ПМИД 12941700 .
^ Берджесс-Бёсс Б, Фаррелл С, Гаснер М, Литт М, Муцков В, Ресиллас-Тарга Ф, Симпсон М, Вест А, Фельзенфельд Г (декабрь 2002 г.). «Изоляция генов от внешних энхансеров и подавление хроматина» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 99 (Приложение 4): 16433–7. Бибкод : 2002PNAS...9916433B . дои : 10.1073/pnas.162342499 . ПМК 139905 . ПМИД 12154228 .
^ Перкель Дж. (1 июня 2015 г.). «Картирование окрестностей хромосом» . БиоТехники . 58 (6): 280–284. дои : 10.2144/000114296 . ПМИД 26054763 .
^ Онг КТ; Корцес В.Г. (апрель 2014 г.). «CTCF: архитектурный белок, соединяющий топологию и функцию генома» . Нат преподобный Жене . 15 (4): 234–46. дои : 10.1038/nrg3663 . ПМЦ 4610363 . ПМИД 24614316 .
^ Дэн, Вт; Ли, Дж; Ван, Х; Миллер, Дж; Рейк, А; Грегори, доктор медицинских наук; Дин, А; Блобель, Джорджия (2012). «Контроль дальних геномных взаимодействий в нативном локусе путем целенаправленного связывания фактора петли» . Клетка . 149 (6): 1233–44. дои : 10.1016/j.cell.2012.03.051 . ПМК 3372860 . ПМИД 22682246 .
^ Филлипс Дж. Э., Корсес В. Г. (июнь 2009 г.). «CTCF: мастер плетения генома» . Клетка . 137 (7): 1194–211. дои : 10.1016/j.cell.2009.06.001 . ПМК 3040116 . ПМИД 19563753 .
^ Филлипс, Дженнифер Э.; Корсес, Виктор Г. (26 июня 2009 г.). «CTCF: Мастер-ткач генома» . Клетка . 137 (7): 1194–1211. дои : 10.1016/j.cell.2009.06.001 . ISSN 0092-8674 . ПМК 3040116 . ПМИД 19563753 .
^ 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): 374–87. дои : 10.1016/j.cell.2014.09.030 . ПМК 4197132 . ПМИД 25303531 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Эллисон, Лизабет А. (2012). Фундаментальная молекулярная биология . Нью-Джерси: John Wiley & Sons, Inc., с. 367. ИСБН 9781118059814 .
^ Ким, Соми; Ю, Нам-Гён; Каанг, Бонг-Киун (июнь 2015 г.). «CTCF как многофункциональный белок в регуляции генома и экспрессии генов» . Экспериментальная и молекулярная медицина . 47 (6): е166. дои : 10.1038/emm.2015.33 . ISSN 2092-6413 . ПМЦ 4491725 . ПМИД 26045254 .
^ Гдула, Дэвид А.; Герасимова Татьяна И.; Корсес, Виктор Г. (1996). «Генетический и молекулярный анализ цыганского изолятора хроматина дрозофилы» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 93 (18): 9378–9383. Бибкод : 1996PNAS...93.9378G . дои : 10.1073/pnas.93.18.9378 . JSTOR 39717 . ПМЦ 38435 . ПМИД 8790337 .
^ Ллинас-Ариас П., Энсеньят-Мендес М., Иньигес-Муньос С., Ороско Х., Вальдес Б. (ноябрь 2023 г.). «Изоляция хроматина управляет перепрограммированием экспрессии кластера генов матриксных металлопротеиназ в агрессивных опухолях рака молочной железы» . Молекулярный рак . 22 (4): 190. дои : 10.1186/s12943-023-01906-8 . ПМЦ 10683115 . ПМИД 38017545 .

Внешние ссылки

СМИ, связанные с изолятором (генетикой), на Викискладе?

[:6-1] Перейти обратно: ^а ^б Эллисон, Лизабет А. (2012). Фундаментальная молекулярная биология . Нью-Джерси: John Wiley & Sons, Inc., стр. 300–301. ISBN 9781118059814 .

[:1-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Ян, Цзинпин; Корсес, Виктор Г. (2011). «Инсуляторы хроматина: роль в ядерной организации и экспрессии генов» . Достижения в области исследований рака . 110 : 43–76. дои : 10.1016/B978-0-12-386469-7.00003-7 . ISBN 9780123864697 . ISSN 0065-230X . ПМК 3175007 . ПМИД 21704228 .

[:0-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Уэст, Адам Г.; Гаснер, Миклош; Фельзенфельд, Гэри (1 февраля 2002 г.). «Изоляторы: много функций, много механизмов» . Гены и развитие . 16 (3): 271–288. дои : 10.1101/gad.954702 . ISSN 0890-9369 . ПМИД 11825869 .

[:2-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Гаснер, Миклош; Фельзенфельд, Гэри (сентябрь 2006 г.). «Инсуляторы: использование транскрипционных и эпигенетических механизмов» . Обзоры природы Генетика . 7 (9): 703–713. дои : 10.1038/nrg1925 . ISSN 1471-0064 . ПМИД 16909129 . S2CID 31291034 .

[:5-5] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Вай, Альберт В.К.; Гиллеманс, Нинка; Рагуз-Болоньези, Селина; Прузина, Сара; Сафарана, Гаэтано; Мейер, умирает; Филипсен, Сяак; Гросвельд, Фрэнк (1 сентября 2003 г.). «HS5 контрольной области локуса β-глобина человека: граница, специфичная для стадии развития, в эритроидных клетках» . Журнал ЭМБО . 22 (17): 4489–4500. дои : 10.1093/emboj/cdg437 . ISSN 0261-4189 . ПМК 202379 . ПМИД 12941700 .

[pmid12154228-6] Берджесс-Бёсс Б, Фаррелл С, Гаснер М, Литт М, Муцков В, Ресиллас-Тарга Ф, Симпсон М, Вест А, Фельзенфельд Г (декабрь 2002 г.). «Изоляция генов от внешних энхансеров и подавление хроматина» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 99 (Приложение 4): 16433–7. Бибкод : 2002PNAS...9916433B . дои : 10.1073/pnas.162342499 . ПМК 139905 . ПМИД 12154228 .

[7] Перкель Дж. (1 июня 2015 г.). «Картирование окрестностей хромосом» . БиоТехники . 58 (6): 280–284. дои : 10.2144/000114296 . ПМИД 26054763 .

[8] Онг КТ; Корцес В.Г. (апрель 2014 г.). «CTCF: архитектурный белок, соединяющий топологию и функцию генома» . Нат преподобный Жене . 15 (4): 234–46. дои : 10.1038/nrg3663 . ПМЦ 4610363 . ПМИД 24614316 .

[9] Дэн, Вт; Ли, Дж; Ван, Х; Миллер, Дж; Рейк, А; Грегори, доктор медицинских наук; Дин, А; Блобель, Джорджия (2012). «Контроль дальних геномных взаимодействий в нативном локусе путем целенаправленного связывания фактора петли» . Клетка . 149 (6): 1233–44. дои : 10.1016/j.cell.2012.03.051 . ПМК 3372860 . ПМИД 22682246 .

[pmid19563753-10] Филлипс Дж. Э., Корсес В. Г. (июнь 2009 г.). «CTCF: мастер плетения генома» . Клетка . 137 (7): 1194–211. дои : 10.1016/j.cell.2009.06.001 . ПМК 3040116 . ПМИД 19563753 .

[11] Филлипс, Дженнифер Э.; Корсес, Виктор Г. (26 июня 2009 г.). «CTCF: Мастер-ткач генома» . Клетка . 137 (7): 1194–1211. дои : 10.1016/j.cell.2009.06.001 . ISSN 0092-8674 . ПМК 3040116 . ПМИД 19563753 .

[12] 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): 374–87. дои : 10.1016/j.cell.2014.09.030 . ПМК 4197132 . ПМИД 25303531 .

[:4-13] Перейти обратно: ^а ^б ^с Эллисон, Лизабет А. (2012). Фундаментальная молекулярная биология . Нью-Джерси: John Wiley & Sons, Inc., с. 367. ИСБН 9781118059814 .

[14] Ким, Соми; Ю, Нам-Гён; Каанг, Бонг-Киун (июнь 2015 г.). «CTCF как многофункциональный белок в регуляции генома и экспрессии генов» . Экспериментальная и молекулярная медицина . 47 (6): е166. дои : 10.1038/emm.2015.33 . ISSN 2092-6413 . ПМЦ 4491725 . ПМИД 26045254 .

[15] Гдула, Дэвид А.; Герасимова Татьяна И.; Корсес, Виктор Г. (1996). «Генетический и молекулярный анализ цыганского изолятора хроматина дрозофилы» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 93 (18): 9378–9383. Бибкод : 1996PNAS...93.9378G . дои : 10.1073/pnas.93.18.9378 . JSTOR 39717 . ПМЦ 38435 . ПМИД 8790337 .

[pmid38017545-16] Ллинас-Ариас П., Энсеньят-Мендес М., Иньигес-Муньос С., Ороско Х., Вальдес Б. (ноябрь 2023 г.). «Изоляция хроматина управляет перепрограммированием экспрессии кластера генов матриксных металлопротеиназ в агрессивных опухолях рака молочной железы» . Молекулярный рак . 22 (4): 190. дои : 10.1186/s12943-023-01906-8 . ПМЦ 10683115 . ПМИД 38017545 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]