Промоутерская деятельность

Промоторная активность — это термин, который охватывает несколько значений процесса экспрессии генов из регуляторных последовательностей — промоторов. ^{[ 2 ]} и усилители . ^{[ 3 ]} Экспрессию генов обычно характеризуют как меру того, насколько, как быстро, когда и где происходит этот процесс. ^{[ 4 ]} Промоторы и энхансеры необходимы для контроля того, где и когда транскрибируется конкретный ген. ^{[ 3 ]}

Традиционно измерение генных продуктов (т.е. мРНК, белков и т.д.) было основным подходом к измерению активности промотора. Однако этот метод сталкивается с двумя проблемами: стохастический характер экспрессии генов. ^{[ 5 ]} и отсутствие механистической интерпретации термодинамического процесса, участвующего в активации промотора. ^{[ 4 ]}

Фактические достижения в области метаболомики, разработки технологий секвенирования нового поколения и молекулярно-структурного анализа позволили разработать более точные модели процесса активации промотора (например, сигма-структуру холоферментных доменов полимеразы). ^{[ 6 ]}) и лучшее понимание сложности задействованных регуляторных факторов.

Привязка промотора

Процесс связывания играет центральную роль в определении «силы» промоторов, то есть относительной оценки того, насколько «хорошо» промотор выполняет экспрессию гена при определенных обстоятельствах. Брюстер и др., ^{[ 7 ]} используя простую термодинамическую модель, основанную на постулате о том, что транскрипционная активность пропорциональна вероятности обнаружения РНК-полимеразы, связанной с промотором, были получены предсказания масштабирования энергии связывания РНК-полимеразы. Эти модели поддерживают взаимосвязь между вероятностью связывания и результатом экспрессии генов. ^{[ 7 ]}

Математическое представление связывания промотора

Проблему регуляции генов можно представить математически как вероятность того, что n молекул — РНКП, активаторы, репрессоры и индукторы — будут связаны с целевыми областями. ^{[ 4 ]}^{[ 2 ]}

Чтобы вычислить вероятность границы, необходимо просуммировать веса Больцмана по всем возможным состояниям. $P$ молекулы полимеразы

является ДНК. ^{[ 8 ]} Вот в этом выводе $P$ — эффективное количество молекул РНКП, доступных для связывания с промотором.

Этот подход основан на статистической термодинамике двух возможных микроскопических результатов: ^{[ 4 ]}

одно состояние, в котором все молекулы P-полимеразы распределены по всем неспецифическим сайтам (сайтам, не участвующим в экспрессии генов)
промотор занят, а оставшиеся полимеразы P-1 распределены по неспецифическим сайтам.

Статистический вес незанятого промотора Z(P) определяется:

$Z(P)=~{\frac {N_{NS}!}{P!*(N_{NS}-P)!}}*{e}^{-~{\frac {E_{NS}}{KbT}}}$

Где первый член является комбинаторным результатом взятых $P$ полимераза $N_{NS}$ доступны неспецифические сайты, а второй член — это веса Больцмана , где $E_{NS}$ — это энергия, которая представляет собой среднюю энергию связывания РНК-полимеразы с геномным фоном (неспецифическими сайтами).

Тогда общий статистический вес $Z(Ptotal)$ , можно записать как сумму $Z(P)$ состояние и РНК-полимераза в состоянии промотора:

$Z(Ptotal)=Z(P)+Z(P-1)*{e}^{-~{\frac {E_{S}}{KbT}}}$

Где $E_{S}$ в $Z(P-1)$ состояние — это энергия связи РНК-полимеразы с промотором (где s означает конкретный сайт).

Наконец, чтобы найти вероятность связывания РНК-полимеразы ( $Prob_{bound}$ ) на конкретный промотор, делим $Z(P)$ к $Z(Ptotal)$ который производит:

$Prob_{bound}={\frac {1}{1+{\frac {N_{N}S}{P}}*{e}^{-{\frac {\Delta E}{KbT}}}}}$

Где, $\Delta E=E_{S}-E_{NS}$

Важным результатом этой модели является то, что любой транскрипционный фактор, регулятор или возмущение можно ввести как термин, умножающий $P$ в уравнении вероятности связывания. Этот термин для любого транскрипционного фактора (называемого здесь регулятором фактора) изменяет вероятность связывания с:

$Prob_{bound}={\frac {1}{1+{\frac {N_{N}S}{P*F_{R}}}*{e}^{-{\frac {\Delta E}{KbT}}}}}$

Где $F_{R}$ это термин для транскрипционных факторов, и он имеет значение $F_{R}>1$ для увеличения $F_{R}<1$ для уменьшения количества РНК-полимеразы, доступной для связывания.

Этот результат имеет важное значение для математического представления всех возможных конфигураций транскрипционного фактора путем построения различных моделей для оценки. $F_{R}$ (о дальнейших разработках см. также ^{[ 4 ]}).

Структура промотора эукариот

Процесс активации и связывания у эукариот отличается от бактерий тем, что специфические элементы ДНК связывают факторы функционального преинициаторного комплекса. У бактерий существует одна полимераза, содержащая каталитические субъединицы и одну регуляторную субъединицу, известную как сигма , которая транскрибирует разные типы генов. ^{[ 9 ]}

У эукариот транскрипция осуществляется тремя различными РНК-полимеразами: РНК-полимеразой I для рибосомальных РНК (рРНК), РНК-полимеразой II для информационных РНК (мРНК) и некоторыми малыми регуляторными РНК, а также РНК-полимеразой III для малых РНК, таких как транспортные РНК. (тРНК). Процесс позиционирования РНК-полимеразы II и транскрипционного аппарата требуют распознавания области, известной как «коровый промотор». ^{[ 9 ]} Элементы, которые можно обнаружить в коровом промоторе, включают элемент TATA, элемент распознавания TFIIB (BRE), инициатор (Inr) и нижестоящий элемент корового промотора (DPE). ^{[ 10 ]} Промоторы у эукариот содержат один или несколько из этих основных элементов (но любой из них абсолютно необходим для функции промотора). ^{[ 9 ]} эти элементы являются сайтами связывания субъединиц транскрипционного аппарата и участвуют в инициации транскрипции, но также обладают некоторыми специфическими энхансерными функциями. ^{[ 10 ]} Кроме того, активность промотора у эукариот включает в себя некоторые сложности, связанные с тем, как они интегрируют сигналы от дистальных факторов с коровым промотором. ^{[ 11 ]}

Эволюционные процессы

В отличие от кодирующих белков областей, где часто доказывались предположения о консервативности последовательностей функционально гомологичных генов, для регуляторных областей не существует четкой связи консервативности между последовательностями и их функциями. ^{[ 12 ]} Области транскрипционных промоторов подвергаются менее строгому отбору, а затем имеют более высокую скорость замен, что позволяет легко заменять сайты связывания транскрипционных факторов новыми, возникающими в результате случайных мутаций. ^{[ 12 ]} Несмотря на изменения последовательностей, в основном функции регуляторных последовательностей сохраняются. ^{[ 12 ]}

В последние годы с увеличением доступности последовательностей генома филогенетический футпринтинг открывает возможность идентифицировать цис-элементы, а затем изучать процессы их эволюции. В этом смысле Райджман и др., ^{[ 13 ]} Дермицакис и др. ^{[ 14 ]} разработали методы анализа эволюционных процессов в областях транскрипционных факторов в промоторах видов Saccharomyces и регуляторных сетях млекопитающих соответственно.

Основа многих из этих эволюционных изменений в природе, вероятно, связана с событиями в цис-регуляторных регионах, участвующих в экспрессии генов. ^{[ 15 ]} Влияние изменений в регионах регулирования важно для риска заболеваний. ^{[ 14 ]} из-за их влияния на уровень экспрессии генов. Более того, нарушения связывающих свойств белков, кодируемых регуляторными генами, связаны с эффектами фенотипов, такими как дублированные структуры, гомеотические трансформации и новая морфология. ^{[ 15 ]}

Мера промоутерской активности

Мера активности промотора имеет широкое значение. Активность промоутера можно измерить для различных ситуаций или исследовательских вопросов. ^{[ 4 ]} такой как:

оценка уровня экспрессии в сравнении (относительно) с некоторой известной величиной
как быстро экспрессируется ген после индукции
время экспрессии относительно других генов
конкретное пространственное расположение выражения

Методы изучения активности промотора обычно основаны на экспрессии репортерного гена с промотора интересующего гена. ^{[ 16 ]}^{[ 2 ]}^{[ 17 ]} Мутации и делеции производятся в промоторной области и измеряются их изменения при парной экспрессии репортерного гена. ^{[ 18 ]}

Наиболее важными репортерными генами являются флуоресцентные белки, такие как GFP . Эти репортеры позволяют измерять активацию промотора по увеличению флуоресцентных сигналов и дезактивацию по снижению скорости флуоресценции. ^{[ 19 ]}

Распознавание промотора в мире РНК

Гипотеза мира РНК предполагает, что на очень ранних стадиях эволюции, до появления ДНК как генетического материала и до появления белковых ферментов , РНК была ключевым игроком в возникновении жизни. ^{[ 20 ]} Центральной идеей этой гипотезы является репликаза РНК ( рибозим ), способная копировать собственный геном . ^{[ 21 ]} Был разработан голополимеразный рибозим, который использует праймер специфичности, подобный сигма-фактору, для распознавания последовательности промотора РНК. ^{[ 22 ]} Затем этот рибозим может на втором этапе перегруппироваться в процессивную форму, которая может полимеризоваться с определенных промоторов РНК, а не с других. ^{[ 22 ]}

См. также

Ссылки

^ Ши, М.; Акерс, Г. (1985). «Система управления 0R бактериофага лямбда. Физико-химическая модель регуляции генов». Журнал молекулярной биологии . 181 (2): 211–230. дои : 10.1016/0022-2836(85)90086-5 . ПМИД 3157005 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ЛаФлер, Трэвис Л.; Хоссейн, Аяан; Салис, Ховард М. (2 сентября 2022 г.). «Автоматизированный модельно-прогностический дизайн синтетических промоторов для контроля профилей транскрипции у бактерий» . Природные коммуникации . 13 (1): 5159. doi : 10.1038/s41467-022-32829-5 . ISSN 2041-1723 . ПМК 9440211 . ПМИД 36056029 .
^ Jump up to: ^а ^б Гилберт, Сан-Франциско (2000). Биология развития . Синауэр Ассошиэйтс.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Бинту, Л.; Бухлер, Н; Гарсия, Х; Герланд, У; Хва, Т; Кондев, Дж; Филлипс, Р. (2005). «Регуляция транскрипции числами: модели» . Текущее мнение в области генетики и развития . 15 (2): 116–124. arXiv : q-bio/0412010 . дои : 10.1016/j.где.2005.02.007 . ПМЦ 3482385 . ПМИД 15797194 . S2CID 6013797 .
^ Еловиц, М; Левин, Эй Джей; Сиггия, Э.; Суэйн, П. (2002). «Стохастическая экспрессия генов в одной клетке» (PDF) . Наука . 297 (5584): 1183–1186. Бибкод : 2002Sci...297.1183E . дои : 10.1126/science.1070919 . ПМИД 12183631 . S2CID 10845628 .
^ Борухов, С.; Нудлери, Э (2003). «Голофермент РНК-полимеразы: структура, функции и биологическое значение». Современное мнение в микробиологии . 6 (2): 93–100. дои : 10.1016/s1369-5274(03)00036-5 . ПМИД 12732296 .
^ Jump up to: ^а ^б Брюстер, Р.; Джонс, Д.; Филлипс, Р. (2012). «Настройка силы промотора посредством дизайна сайта связывания РНК-полимеразы в Escherichia coli» . PLOS Вычислительная биология . 8 (12): e1002811. Бибкод : 2012PLSCB...8E2811B . дои : 10.1371/journal.pcbi.1002811 . ПМЦ 3521663 . ПМИД 23271961 .
^ Бухлер, штат Невада; Герланд, У.; Хва, Т. (2003). «О схемах комбинаторной логики транскрипции» . Proc Natl Acad Sci США . 100 (5): 5136–5141. Бибкод : 2003PNAS..100.5136B . дои : 10.1073/pnas.0930314100 . ПМК 404558 . ПМИД 12702751 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Хан, С. (2004). «Структура и механизм транскрипционного аппарата РНК-полимеразы II» . Структурная и молекулярная биология природы . 11 (5): 394–403. дои : 10.1038/nsmb763 . ПМЦ 1189732 . ПМИД 15114340 .
^ Jump up to: ^а ^б Батлер, Дж.; Кодонага, Дж. (2015). «Основной промотор РНК-полимеразы II: ключевой компонент регуляции экспрессии генов» . Гены и развитие . 16 (20): 2583–2592. дои : 10.1101/gad.1026202 . ПМИД 12381658 .
^ Смейл, С.; Кадонага, Т. (2003). «Основной промотор РНК-полимеразы II». Ежегодный обзор биохимии . 72 : 449–479. doi : 10.1146/annurev.biochem.72.121801.161520 . ПМИД 12651739 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Хуанг, В.; Невинс, Дж.; Олер, У. (2007). «Филогенетическое моделирование эволюции промотора: оценка и моделирование событий смены сайтов связывания и оценка их влияния на инструменты выравнивания» . Геномная биология . 8 (10): 225 рэндов. дои : 10.1186/gb-2007-8-10-r225 . ПМК 2246299 . ПМИД 17956628 .
^ Райджман, Д.; Шамир, Р.; Танай, А. (2008). «Эволюция и отбор дрожжевых промоторов: анализ комбинированного эффекта различных сайтов связывания факторов транскрипции» . PLOS Вычислительная биология . 4 (1): e7. Бибкод : 2008PLSCB...4....7R . дои : 10.1371/journal.pcbi.0040007 . ПМК 2186363 . ПМИД 18193940 .
^ Jump up to: ^а ^б Дермицакис, Э.; Кларк, А. (2002). «Эволюция сайтов связывания факторов транскрипции в регионах регуляции генов млекопитающих: сохранение и обмен» . Молекулярная биология и эволюция . 19 (7): 1114–1121. doi : 10.1093/oxfordjournals.molbev.a004169 . ПМИД 12082130 .
^ Jump up to: ^а ^б Стоун, Дж.; Рэй, Джорджия (2001). «Быстрая эволюция цис-регуляторных последовательностей посредством локальных точечных мутаций» . Молекулярная биология и эволюция . 18 (9): 1754–1770. doi : 10.1093/oxfordjournals.molbev.a003964 . ПМИД 11504856 .
^ Джеясилан, К.; Безумный.; Армуган, А. (2001). «Обнаружение активности промотора гена в режиме реального времени: количественное определение транскрипции гена токсина» . Исследования нуклеиновых кислот . 29 (12): 58д–58. дои : 10.1093/нар/29.12.e58 . ПМЦ 55757 . ПМИД 11410681 .
^ Хоссейн, Аяан; Лопес, Эриберто; Халпер, Шон М.; Цетнар, Дэниел П.; Рейс, Александр К.; Стрикленд, Девин; Клавинс, Эрик; Салис, Ховард М. (декабрь 2020 г.). «Автоматическое проектирование тысяч неповторяющихся деталей для создания стабильных генетических систем» . Природная биотехнология . 38 (12): 1466–1475. дои : 10.1038/s41587-020-0584-2 . ISSN 1546-1696 . ПМИД 32661437 . S2CID 256819118 .
^ АЛЛАРД, СТ; КОПИШ, К. (2008). «РЕПОРТЕРНЫЕ АНАЛИЗА ЛЮЦИФЕРАЗЫ: МОЩНЫЕ АДАПТИВНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ КЛЕТОЧНОЙ БИОЛОГИИ». Примечания к ячейке (21).
^ Заславер А.; Брен, А.; Ронен, М.; Ицковиц, С.; Кикоин И.; Шавит, С.; Лейбесмейстер, В.; Сюретт, М.; Алон, У. (2006). «Полная библиотека флуоресцентных репортеров транскрипции Escherichia Coli». Природные методы . 3 (8): 623–628. дои : 10.1038/nmeth895 . ПМИД 16862137 . S2CID 205427762 .
^ Гилберт, В. Происхождение жизни: мир РНК. Природа 319, 618 (1986). https://doi.org/10.1038/319618a0
^ Шостак Дж., Бартель Д. и Луизи П. Синтезируя жизнь. Природа 409, 387–390 (2001). https://doi.org/10.1038/35053176
^ Jump up to: ^а ^б Кожокару Р., Унрау П.Дж. Процессивная полимеризация РНК и распознавание промотора в мире РНК. Наука. 19 марта 2021 г.; 371 (6535): 1225–1232. doi: 10.1126/science.abd9191. ПМИД 33737482

[1] Ши, М.; Акерс, Г. (1985). «Система управления 0R бактериофага лямбда. Физико-химическая модель регуляции генов». Журнал молекулярной биологии . 181 (2): 211–230. дои : 10.1016/0022-2836(85)90086-5 . ПМИД 3157005 .

[:8-2] Jump up to: ^а ^б ^с ЛаФлер, Трэвис Л.; Хоссейн, Аяан; Салис, Ховард М. (2 сентября 2022 г.). «Автоматизированный модельно-прогностический дизайн синтетических промоторов для контроля профилей транскрипции у бактерий» . Природные коммуникации . 13 (1): 5159. doi : 10.1038/s41467-022-32829-5 . ISSN 2041-1723 . ПМК 9440211 . ПМИД 36056029 .

[:0-3] Jump up to: ^а ^б Гилберт, Сан-Франциско (2000). Биология развития . Синауэр Ассошиэйтс.

[:1-4] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Бинту, Л.; Бухлер, Н; Гарсия, Х; Герланд, У; Хва, Т; Кондев, Дж; Филлипс, Р. (2005). «Регуляция транскрипции числами: модели» . Текущее мнение в области генетики и развития . 15 (2): 116–124. arXiv : q-bio/0412010 . дои : 10.1016/j.где.2005.02.007 . ПМЦ 3482385 . ПМИД 15797194 . S2CID 6013797 .

[5] Еловиц, М; Левин, Эй Джей; Сиггия, Э.; Суэйн, П. (2002). «Стохастическая экспрессия генов в одной клетке» (PDF) . Наука . 297 (5584): 1183–1186. Бибкод : 2002Sci...297.1183E . дои : 10.1126/science.1070919 . ПМИД 12183631 . S2CID 10845628 .

[6] Борухов, С.; Нудлери, Э (2003). «Голофермент РНК-полимеразы: структура, функции и биологическое значение». Современное мнение в микробиологии . 6 (2): 93–100. дои : 10.1016/s1369-5274(03)00036-5 . ПМИД 12732296 .

[:2-7] Jump up to: ^а ^б Брюстер, Р.; Джонс, Д.; Филлипс, Р. (2012). «Настройка силы промотора посредством дизайна сайта связывания РНК-полимеразы в Escherichia coli» . PLOS Вычислительная биология . 8 (12): e1002811. Бибкод : 2012PLSCB...8E2811B . дои : 10.1371/journal.pcbi.1002811 . ПМЦ 3521663 . ПМИД 23271961 .

[8] Бухлер, штат Невада; Герланд, У.; Хва, Т. (2003). «О схемах комбинаторной логики транскрипции» . Proc Natl Acad Sci США . 100 (5): 5136–5141. Бибкод : 2003PNAS..100.5136B . дои : 10.1073/pnas.0930314100 . ПМК 404558 . ПМИД 12702751 .

[:4-9] Jump up to: ^а ^б ^с Хан, С. (2004). «Структура и механизм транскрипционного аппарата РНК-полимеразы II» . Структурная и молекулярная биология природы . 11 (5): 394–403. дои : 10.1038/nsmb763 . ПМЦ 1189732 . ПМИД 15114340 .

[:5-10] Jump up to: ^а ^б Батлер, Дж.; Кодонага, Дж. (2015). «Основной промотор РНК-полимеразы II: ключевой компонент регуляции экспрессии генов» . Гены и развитие . 16 (20): 2583–2592. дои : 10.1101/gad.1026202 . ПМИД 12381658 .

[11] Смейл, С.; Кадонага, Т. (2003). «Основной промотор РНК-полимеразы II». Ежегодный обзор биохимии . 72 : 449–479. doi : 10.1146/annurev.biochem.72.121801.161520 . ПМИД 12651739 .

[:6-12] Jump up to: ^а ^б ^с Хуанг, В.; Невинс, Дж.; Олер, У. (2007). «Филогенетическое моделирование эволюции промотора: оценка и моделирование событий смены сайтов связывания и оценка их влияния на инструменты выравнивания» . Геномная биология . 8 (10): 225 рэндов. дои : 10.1186/gb-2007-8-10-r225 . ПМК 2246299 . ПМИД 17956628 .

[13] Райджман, Д.; Шамир, Р.; Танай, А. (2008). «Эволюция и отбор дрожжевых промоторов: анализ комбинированного эффекта различных сайтов связывания факторов транскрипции» . PLOS Вычислительная биология . 4 (1): e7. Бибкод : 2008PLSCB...4....7R . дои : 10.1371/journal.pcbi.0040007 . ПМК 2186363 . ПМИД 18193940 .

[:7-14] Jump up to: ^а ^б Дермицакис, Э.; Кларк, А. (2002). «Эволюция сайтов связывания факторов транскрипции в регионах регуляции генов млекопитающих: сохранение и обмен» . Молекулярная биология и эволюция . 19 (7): 1114–1121. doi : 10.1093/oxfordjournals.molbev.a004169 . ПМИД 12082130 .

[:3-15] Jump up to: ^а ^б Стоун, Дж.; Рэй, Джорджия (2001). «Быстрая эволюция цис-регуляторных последовательностей посредством локальных точечных мутаций» . Молекулярная биология и эволюция . 18 (9): 1754–1770. doi : 10.1093/oxfordjournals.molbev.a003964 . ПМИД 11504856 .

[16] Джеясилан, К.; Безумный.; Армуган, А. (2001). «Обнаружение активности промотора гена в режиме реального времени: количественное определение транскрипции гена токсина» . Исследования нуклеиновых кислот . 29 (12): 58д–58. дои : 10.1093/нар/29.12.e58 . ПМЦ 55757 . ПМИД 11410681 .

[17] Хоссейн, Аяан; Лопес, Эриберто; Халпер, Шон М.; Цетнар, Дэниел П.; Рейс, Александр К.; Стрикленд, Девин; Клавинс, Эрик; Салис, Ховард М. (декабрь 2020 г.). «Автоматическое проектирование тысяч неповторяющихся деталей для создания стабильных генетических систем» . Природная биотехнология . 38 (12): 1466–1475. дои : 10.1038/s41587-020-0584-2 . ISSN 1546-1696 . ПМИД 32661437 . S2CID 256819118 .

[18] АЛЛАРД, СТ; КОПИШ, К. (2008). «РЕПОРТЕРНЫЕ АНАЛИЗА ЛЮЦИФЕРАЗЫ: МОЩНЫЕ АДАПТИВНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ КЛЕТОЧНОЙ БИОЛОГИИ». Примечания к ячейке (21).

[19] Заславер А.; Брен, А.; Ронен, М.; Ицковиц, С.; Кикоин И.; Шавит, С.; Лейбесмейстер, В.; Сюретт, М.; Алон, У. (2006). «Полная библиотека флуоресцентных репортеров транскрипции Escherichia Coli». Природные методы . 3 (8): 623–628. дои : 10.1038/nmeth895 . ПМИД 16862137 . S2CID 205427762 .

[20] Гилберт, В. Происхождение жизни: мир РНК. Природа 319, 618 (1986). https://doi.org/10.1038/319618a0

[21] Шостак Дж., Бартель Д. и Луизи П. Синтезируя жизнь. Природа 409, 387–390 (2001). https://doi.org/10.1038/35053176

[Cojocaru2021-22] Jump up to: ^а ^б Кожокару Р., Унрау П.Дж. Процессивная полимеризация РНК и распознавание промотора в мире РНК. Наука. 19 марта 2021 г.; 371 (6535): 1225–1232. doi: 10.1126/science.abd9191. ПМИД 33737482

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]

[ 22 ]