Джин десерт
Генные пустыни — это участки генома, лишенные генов, кодирующих белки. Генные пустыни составляют примерно 25% всего генома, что привело к недавнему интересу к их истинным функциям. [ 1 ] Первоначально считалось, что генные пустыни содержат несущественную и « мусорную» ДНК из-за их неспособности создавать белки. С тех пор генные пустыни связаны с несколькими жизненно важными регуляторными функциями, включая дистальное усиление и консервативное наследование. Таким образом, растущее число рисков, которые приводят к нескольким серьезным заболеваниям, включая несколько видов рака, объясняются нарушениями, обнаруженными в генных пустынях.
Одним из наиболее ярких примеров является область гена 8q24, которая при воздействии определенных однонуклеотидных полиморфизмов приводит к множеству заболеваний. Основными факторами, определяющими генные пустыни, являются низкое содержание GpC и относительно высокий уровень повторов, которые не наблюдаются в кодирующих регионах. Недавние исследования еще больше разделили генные пустыни на изменчивые и стабильные формы; Регионы классифицируются на основе их поведения посредством рекомбинации и их генетического содержания. Хотя нынешние знания о генных пустынях довольно ограничены, продолжающиеся исследования и усовершенствованные методы начинают открывать двери для изучения различных важных эффектов этих некодирующих областей.
История
[ редактировать ]Хотя возможность функционирования генных пустынь была предсказана еще в 1960-х годах, инструменты генетической идентификации не смогли выявить какие-либо специфические характеристики длинных некодирующих регионов, за исключением того, что в этих регионах не происходило кодирования. [ 2 ]
До завершения исследования генома человека в 2001 году в рамках проекта «Геном человека » большинство ранних ассоциативных сравнений генов основывалось на убеждении, что основные гены «домашнего хозяйства» группируются в одних и тех же областях генома для облегчения доступа и жесткого регулирования. Это убеждение позже привело к появлению гипотезы о том, что генные пустыни, следовательно, представляют собой предыдущие регуляторные последовательности, которые тесно связаны (и, следовательно, не подвергаются рекомбинации), но с течением времени между ними произошли замены. [ 2 ] [ 3 ] Эти замены могут привести к тому, что строго консервативные гены со временем разделятся, образуя таким образом области бессмысленных кодов с несколькими важными генами. Однако неопределенность из-за различий в степени консервации генов в разных частях хромосом не позволила точно идентифицировать. Позже ассоциации были ремоделированы, когда регуляторные последовательности были связаны с факторами транскрипции, что привело к рождению крупномасштабного полногеномного картирования. Так началась охота за содержанием и функциями генных пустынь.
Недавние достижения в скрининге сигнатур хроматина на хромосомах (например, захват конформации хромосом , также известный как 3C) позволили подтвердить модель активации генов на большом расстоянии, которая постулирует, что действительно существуют физические связи между регуляторными энхансерами и их мишенью. промоутеры . [ 2 ] Исследования генных пустынь, хотя и сосредоточены на генетике человека, также применялись к мышам, различным птицам и Drosophila melanogaster . [ 4 ] [ 5 ] Хотя сохранение геномов отдельных видов неодинаково, ортологичные генные пустыни функционируют одинаково. Таким образом, преобладающим утверждением о генных пустынях является то, что эти некодирующие последовательности содержат активные и важные регуляторные элементы.
Возможные функции
[ редактировать ]Одно исследование было сосредоточено на регуляторном архипелаге — регионе с «островками» кодирующих последовательностей, окруженных обширными некодирующими областями. Исследование, в котором изучалось влияние регуляции на гены hox , первоначально было сосредоточено на двух энхансерных последовательностях, GCR и Prox, которые расположены на 200 пар оснований и 50 пар оснований соответственно выше локуса Hox D. [ 5 ] Чтобы манипулировать этим регионом, исследование инвертировало две последовательности энхансера и не обнаружило никаких серьезных эффектов на транскрипцию гена Hox D, хотя эти две последовательности были наиболее близкими к гену последовательностями. Таким образом, они обратились к генной пустыне, которая фланкировала последовательность GCR выше по ходу транскрипции, и обнаружили внутри нее 5 регуляторных островков, которые могли регулировать этот ген. Чтобы выбрать наиболее вероятного кандидата, исследование затем применило несколько индивидуальных и множественных делеций к пяти островам, чтобы наблюдать за эффектами. Эти разнообразные делеции приводили лишь к незначительным последствиям, включая физические отклонения или отсутствие нескольких цифр.
Когда эксперимент пошел еще дальше и применил удаление всей пустыни гена длиной 830 тыс. оснований, функциональность всего локуса Hox D оказалась неактивной. [ 5 ] Это указывает на то, что соседняя генная пустыня, как целая единица длиной 830 тыс. нуклеотидов (включая пять островковых последовательностей внутри нее), служит важным регулятором одного гена, который охватывает всего 50 килобаз. Таким образом, эти результаты намекают на регуляторные эффекты фланкирующих генных пустынь. Это исследование было подтверждено более поздним наблюдением путем сравнения флуоресцентной гибридизации in situ и захвата конформации хромосомы, в результате которого было обнаружено, что локус Hox D был наиболее деконденсированной частью в этом регионе. Это означало, что он имел относительно более высокую активность по сравнению с фланкирующими генными пустынями. [ 6 ] Следовательно, Hox D может регулироваться с помощью специфических близлежащих энхансерных последовательностей, которые не экспрессируются в унисон. Однако это предупреждает о том, что близость является неточной при использовании любого аналитического метода. [ 6 ] Т.о., ассоциации между пустынями регуляторных генов и их целевыми промоторами, по-видимому, имеют переменные расстояния и не обязаны действовать как границы.
Изменчивость расстояний показывает, что расстояние может быть еще одним важным фактором, определяемым генными пустынями. Например, дистальные энхансеры могут взаимодействовать со своими целевыми промоторами посредством петлевых взаимодействий, которые должны действовать на определенном расстоянии. [ 7 ] Т.о., близость не является точным предиктором энхансеров: энхансерам не обязательно ограничивать свою целевую последовательность, чтобы регулировать их. Хотя это приводит к изменению расстояний, среднее расстояние между сайтами начала транскрипции и комплексом взаимодействия, опосредованным их энхансерными элементами, составляет 120 килобаз выше стартового сайта. [ 7 ]
Генные пустыни могут играть роль в построении этого расстояния, обеспечивающего максимальное закольцовывание. Учитывая, что механизм образования энхансерного комплекса является достаточно просто регулируемым механизмом (структуры, рекрутируемые в энхансерный комплекс, обладают различными регуляторными регуляторами, контролирующими построение), более 50% промоторов имеют несколько дальнодействующих взаимодействий. Некоторые основные гены даже имеют до 20 возможных улучшающих взаимодействий. Существует любопытная склонность к тому, что комплексы формируются только перед промоторами. [ 7 ] Т.о., учитывая корреляцию, заключающуюся в том, что многие регуляторные генные пустыни появляются выше своих промоторов-мишеней, возможно, что более непосредственная роль, которую играют генные пустыни, заключается в долговременной регуляции ключевых последовательностей. Поскольку идеальное формирование взаимодействий энхансеров требует специфических конструкций, возможным побочным продуктом регуляторной роли генных пустынь может быть их консервация: для сохранения определенной длины петель и порядка регуляции генов, скрытых в генных пустынях, определенные части генные пустыни более консервативны, чем другие, при передаче наследственных событий. Эти консервативные некодирующие последовательности (CNS) напрямую связаны с синтенным наследованием у всех позвоночных. [ 8 ] Таким образом, наличие этих ЦНС может способствовать сохранению больших участков генов.
Хотя расстояние может варьироваться в пустынях регуляторных генов, в консервативных генных пустынях расстояние, по-видимому, имеет верхний предел. Первоначально считалось, что ЦНС возникают рядом с их консервативными генами: более ранние оценки помещали большинство ЦНС вблизи последовательностей генов. [ 8 ] Однако расширение генетических данных показало, что некоторые ЦНС расположены на расстоянии до 2,5 мегабаз от своих генов-мишеней, при этом большинство ЦНС находятся на расстоянии от 1 до 2 мегабаз. Этот диапазон, измеренный для генома человека, варьируется у разных видов. Например, по сравнению с людьми, рыба фугу имеет меньший ареал: предполагаемое максимальное расстояние составляет несколько сотен тысяч оснований. Независимо от разницы в длине, ЦНС у обоих видов работают одинаково. [ 8 ] Таким образом, как функции разных генных пустынь различаются, так и их содержимое.
Стабильные и изменчивые генные пустыни
[ редактировать ]
Некоторые генные пустыни являются сильными регуляторами, тогда как другие могут быть удалены без какого-либо эффекта. В качестве возможной классификации генные пустыни можно разделить на два подтипа: стабильные и изменчивые. [ 1 ] Стабильные генные пустыни имеют меньше повторов и относительно более высокое содержание гуанина и цитозина (GpC), чем наблюдаемые в изменчивых генных пустынях.
Содержание гуанина и цитозина свидетельствует о функции кодирования белка. Например, в исследовании хромосом 2 и 4, которые были связаны с несколькими генетическими заболеваниями, в определенных регионах было обнаружено повышенное содержание GpC. [ 9 ] Мутации в этих богатых GC регионах вызывали множество заболеваний, что свидетельствует о необходимой целостности этих генов. высокой плотности Области CpG служат регуляторными областями для метилирования ДНК . [ 10 ] Следовательно, основные кодирующие гены должны быть представлены областями с высоким содержанием CpG. В частности, регионы с высоким содержанием GC должны иметь тенденцию иметь высокую плотность генов, которые отвечают главным образом за жизненно важные и тканеспецифические процессы. [ 11 ] Эти процессы потребуют наибольшего производства белка для выражения функциональности. Таким образом, стабильные генные пустыни, которые имеют более высокий уровень содержания GC, должны содержать необходимые энхансерные последовательности. Это может определять консерваторские функции стабильных генных пустынь.
С другой стороны, примерно 80% генных пустынь имеют низкое содержание GpC, что указывает на то, что у них очень мало важных генов. [ 9 ] Таким образом, большинство генных пустынь представляют собой вариабельные генные пустыни, которые могут иметь альтернативные функции. Одна распространенная теория происхождения генных пустынь утверждает, что генные пустыни — это скопления важных генов, которые действуют как расстояние. [ 1 ] [ 10 ] Это может быть правдой, поскольку, учитывая небольшое количество основных генов внутри них, эти регионы были бы менее консервативными. В результате из-за преобладания преобразований цитозина в тимин, наиболее распространенного SNP , может произойти постепенное разделение между немногими важными генами в пределах переменных генных пустынь. Эти важные последовательности должны были поддерживаться и консервироваться, что привело к образованию небольших областей высокой плотности, которые регулируются на расстоянии. [ 10 ] Таким образом, содержание GC является показателем наличия кодирующих или регуляторных процессов в ДНК.
Хотя стабильные генные пустыни имеют более высокое содержание GC, это относительное значение является лишь средним. В стабильных генных пустынях, хотя концы содержат очень высокие уровни содержания GC, основная часть ДНК содержит еще меньше содержания GC, чем наблюдается в изменчивых генных пустынях. Это указывает на то, что в стабильных генных пустынях очень мало высококонсервативных регионов, которые не рекомбинируют или делают это с очень низкой скоростью. [ 9 ] Учитывая, что концы стабильных генных пустынь имеют особенно высокий уровень содержания GC, эти последовательности должны быть чрезвычайно консервативными. Эта консервация, в свою очередь, может привести к тому, что фланкирующие гены также будут иметь более высокую степень консервации. Таким образом, стабильные гены должны быть напрямую связаны по крайней мере с одним из их фланкирующих генов и не могут быть отделены от кодирующих последовательностей посредством событий рекомбинации. [ 1 ] Большинство генных пустынь группируются парами вокруг небольшого числа генов. Эта кластеризация создает длинные локусы с очень низкой плотностью генов; небольшие регионы с большим количеством генов окружены длинными участками генных пустынь, что создает низкий средний уровень генов. Следовательно, минимальная вероятность событий рекомбинации в этих длинных локусах создает синтенные блоки, которые со временем наследуются вместе. [ 1 ] Эти синтенные блоки могут сохраняться в течение очень длительных периодов времени, предотвращая потерю необходимого материала, даже несмотря на то, что расстояние между важными генами может со временем увеличиваться.
Хотя этот эффект теоретически должен быть усилен за счет еще более низкого содержания GC в вариабельных генных пустынях (тем самым действительно минимизируя плотность генов), степень консервации генов в вариабельных генных пустынях даже ниже, чем наблюдаемая в стабильных генных пустынях - фактически, эта скорость намного ниже, чем остальная часть генома. Возможное объяснение этого явления состоит в том, что вариабельные генные пустыни могут представлять собой недавно возникшие области, которые еще не превратились в стабильные генные пустыни. [ 1 ] Таким образом, перетасовка все еще может произойти до того, как стабилизирующие области внутри вариабельных генных пустынь начнут группироваться как целые единицы. Есть несколько исключений из этой минимальной степени консервации, поскольку некоторые пустыни генов GC подвергаются гиперметилированию, что значительно снижает доступность ДНК, тем самым эффективно защищая эту область от рекомбинации. [ 11 ] Однако при наблюдении они встречаются редко.
Хотя стабильные и изменчивые генные пустыни различаются по содержанию и функциям, оба обладают консерваторскими способностями. Возможно, что, поскольку большинство вариабельных генных пустынь имеют регуляторные элементы, которые могут действовать на расстоянии, сохранение всей генной пустыни в ситеничном локусе не было бы необходимым, пока сами эти регуляторные элементы сохранялись бы как единицы. Учитывая особенно низкие уровни содержания GC, регуляторные элементы, следовательно, будут находиться в ситуации минимальной плотности генов, что аналогично наблюдается во фланкирующих стабильных генных пустынях с тем же эффектом. Таким образом, оба типа генных пустынь служат для сохранения важных генов в геноме.
Генетические заболевания
[ редактировать ]Консервативная природа генных пустынь подтверждает, что эти участки некодирующих оснований необходимы для правильного функционирования. Действительно, широкий спектр исследований нарушений в некодирующих генах обнаружил несколько связей с генетическими заболеваниями. Одной из наиболее изученных генных пустынь является регион 8q24. Ранние полногеномные исследования ассоциаций были сосредоточены на регионе 8q24 (расположенном на хромосоме 8 ) из-за аномально высокого уровня SNP, которые, по-видимому, встречаются в этом регионе. Эти исследования показали, что этот регион связан с повышенным риском развития различных видов рака, особенно простаты, молочной железы, яичников, толстой кишки и поджелудочной железы. [ 12 ] [ 13 ] Используя вставки гена пустыни в искусственные бактериальные хромосомы, в одном исследовании удалось вызвать энхансерную активность в определенных регионах, которые были выделены с помощью систем клонирования. [ 14 ] Это исследование успешно идентифицировало последовательность энхансера, скрытую в этом регионе. Внутри этой энхансерной последовательности у больных мышей был обнаружен SNP, который обуславливал риск развития рака простаты, обозначенный SNP s6983267. Однако область 8q24 не ограничивается только риском рака простаты. В ходе исследования 2008 года были проверены люди (и контрольная группа) с вариациями в области генной пустыни, обнаружены пять различных областей, которые создают разные риски при воздействии разных SNP. [ 12 ] В этом исследовании использовались идентифицированные маркеры SNP в генной пустыне для выявления конференции риска в каждом из регионов для экспрессии конкретной ткани. Хотя эти риски были успешно связаны с различными формами рака, Ghoussaini, M. и соавт. обратите внимание на их неуверенность в том, функционировали ли SNP просто как маркеры или были прямыми причинами рака.
Эти разнообразные эффекты возникают из-за различных взаимодействий между SNP в этой области и промоторами MYC разных органов. Промотор MYC, расположенный недалеко от региона 8q24, является, пожалуй, наиболее изученным онкогеном из-за его связи с множеством заболеваний. [ 13 ] Нормальное функционирование промотора MYC обеспечивает регулярное деление клеток. Исследование предполагает, что область 8q, которая подверглась хромосомной транслокации у людей, могла переместить важный энхансер промотора MYC. [ 13 ] Эти области вокруг этой области могли быть подвергнуты рекомбинации, которая могла со временем скрыть основной энхансер MYC внутри генной пустыни, хотя его усиливающие эффекты все еще в значительной степени сохраняются. Этот анализ основан на ассоциациях заболеваний, наблюдаемых у нескольких видов мышей, у которых эта область сохраняется вблизи промотора MYC. [ 13 ] Таким образом, пустыня гена 8q24 должна была быть каким-то образом связана с промотором MYC. Пустыня напоминает стабильную генетическую пустыню, в которой после транслокации произошло очень мало рекомбинаций. Таким образом, потенциальная гипотеза состоит в том, что SNP, влияющие на эту область, нарушают важные тканеспецифичные гены с помощью стабильной генной пустыни, что может объяснить риски рака в различных тканевых формах. Этот эффект скрытых элементов-энхансеров можно наблюдать и в других местах генома. Например, SNP в 5p13.1 нарушают регуляцию кодирующей области PTGER4, что приводит к болезни Крона. [ 15 ] Другая пораженная область в пустыне гена 9p21 вызывает несколько заболеваний коронарных артерий. [ 16 ] Однако ни одна из этих генных пустынь, создающих риск, по-видимому, не затронута так сильно, как регионы 8q24. В текущих исследованиях до сих пор нет уверенности в отношении процессов, затрагиваемых SNP в регионе 8q24, которые приводят к особенно усиленным ответам на промотор MYC. С помощью более доступной популяции и более специфичных маркеров для полногеномного картирования ассоциаций все большее количество аллелей риска теперь отмечается в генных пустынях, где небольшие, изолированные и, казалось бы, незначительные области генов могут ограничивать важные гены.
Предостережение
[ редактировать ]Крайне важно отметить, что, хотя большинство исследованных здесь генных пустынь являются существенными, возможно, большая часть содержимого генных пустынь все еще, вероятно, будет несущественной и одноразовой. Естественно, это не означает, что роли, которые играют генные пустыни, несущественны или неважны, скорее, их функции могут включать буферные эффекты. Примером эссенциальных генных пустынь с несущественным содержанием ДНК являются теломеры, защищающие концы геномов. Теломеры можно отнести к категории настоящих генных пустынь, поскольку они содержат исключительно повторы TTAGGG (у человека) и не имеют очевидных функций кодирования белка. Без этих теломер геном человека сильно мутировал бы в течение фиксированного количества клеточных циклов. С другой стороны, поскольку теломеры не кодируют белки, их потеря гарантирует отсутствие влияния на важные процессы. Следовательно, термин «мусорная» ДНК больше не следует применять к какому-либо участку генома; каждая часть генома должна играть роль в защите, регулировании или восстановлении участков кодирования белков, определяющих функции жизни. Хотя еще многое предстоит узнать об укромных уголках огромного (но ограниченного) человеческого генома, с помощью различных новых технологий и синтеза полного человеческого генома мы, возможно, сможем разгадать огромную коллекцию тайн в приближающемся будущем. лет о чудесах нашего генетического кода.
См. также
[ редактировать ]- Консервативная некодирующая последовательность
- Сеть регулирования генов
- Некодирующая ДНК
- Некодирующая РНК
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж Овчаренко Иван; и др. (декабрь 2004 г.). «Эволюция и функциональная классификация пустынь генов позвоночных» . Геномные исследования . 15 (1): 137–145. дои : 10.1101/гр.3015505 . ПМК 540279 . ПМИД 15590943 .
- ^ Jump up to: а б с Монтавон, Томас; Дюбул, Денис (июль 2012 г.). «Ландшафты и архипелаги: пространственная организация регуляции генов у позвоночных». Тенденции в клеточной биологии . 22 (7): 347–354. дои : 10.1016/j.tcb.2012.04.003 . ПМИД 22560708 .
- ^ Тейлор, Джеймс (19 апреля 2005 г.). «Признаки функционирования генных пустынь». Тенденции в биотехнологии . 23 (6): 269–271. дои : 10.1016/j.tibtech.2005.04.003 . ПМИД 15922077 .
- ^ Купер, Моника; Кеннисон, Джеймс (август 2011 г.). «Молекулярно-генетический анализ области 72A-D политенной хромосомы у Drosophila melanogaster выявил генную пустыню в 72D» . ПЛОС ОДИН . 6 (8): e23509. Бибкод : 2011PLoSO...623509C . дои : 10.1371/journal.pone.0023509 . ПМК 3154481 . ПМИД 21853143 .
- ^ Jump up to: а б с Монтавон, Томас; и др. (23 ноября 2011 г.). «Регуляторный архипелаг контролирует транскрипцию генов Hox в цифрах» . Клетка . 147 (5): 1132–1145. дои : 10.1016/j.cell.2011.10.023 . ПМИД 22118467 .
- ^ Jump up to: а б Уильямсон, Иэн; и др. (30 октября 2014 г.). «Пространственная организация генома: противоположные взгляды на конформацию хромосом и флуоресцентную гибридизацию in situ» . Гены и развитие . 28 (24): 2778–2791. дои : 10.1101/gad.251694.114 . ПМК 4265680 . ПМИД 25512564 .
- ^ Jump up to: а б с Саньял, Амартья; Ладжуа, Брайан; Джайн, Гаурав; Деккер, Иов (6 сентября 2012 г.). «Пейзаж долгосрочного взаимодействия промоутеров генов» . Природа . 489 (7414): 109–113. Бибкод : 2012Natur.489..109S . дои : 10.1038/nature11279 . ПМЦ 3555147 . ПМИД 22955621 .
- ^ Jump up to: а б с Вулф, Адам; Элгар, Грег (2008). «Глава 12. Организация консервативных элементов рядом с ключевыми регуляторами развития в геномах позвоночных». Организация консервативных элементов рядом с ключевыми регуляторами развития в геномах позвоночных . Достижения генетики. Том. 61. С. 307–38. дои : 10.1016/S0065-2660(07)00012-0 . ISBN 978-0-12-373881-3 . ПМИД 18282512 .
- ^ Jump up to: а б с Хиллер, ЛаДина; и др. (7 апреля 2005 г.). «Генерация и аннотация последовательностей ДНК хромосом 2 и 4 человека» . Природа . 434 (7034): 724–731. Бибкод : 2005Natur.434..724H . дои : 10.1038/nature03466 . ПМИД 15815621 .
- ^ Jump up to: а б с Скиннер, Майкл; Босанья, Карлос (2014). «Роль CpG-пустынь в эпигенетическом трансгенерационном наследовании областей дифференциального метилирования ДНК» . БМК Геномика . 15 (692): 692. дои : 10.1186/1471-2164-15-692 . ПМК 4149044 . ПМИД 25142051 .
- ^ Jump up to: а б Заглул, Ламия; и др. (11 июля 2014 г.). «Домены с большой асимметрией репликации ограничивают генные пустыни с низким содержанием GC у человека». Вычислительная биология и химия . 53 : 153–165. doi : 10.1016/j.compbiolchem.2014.08.020 . ПМИД 25224847 .
- ^ Jump up to: а б Гуссаини, Майя; и др. (2 июля 2008 г.). «Множественные локусы с различной раковой специфичностью в пустыне гена 8q24». Краткие сообщения . 100 (13).
- ^ Jump up to: а б с д Хуппи, Конрад; Питт, Джейсон; Уолберг, Брэди; Каплен, Наташа (апрель 2012 г.). «Пустыня гена 8q24: оазис некодирующей транскрипционной активности» . Границы генетики . 3 : 69. дои : 10.3389/fgene.2012.00069 . ПМК 3339310 . ПМИД 22558003 .
- ^ Вассерман, Нора; Анеас, Айви; Нобрега, Марсело (3 июня 2010 г.). «Вариант гена 8q24 Desert, связанный с риском рака простаты, придает дифференцированную активность in vivo усилителю MYC» . Геномные исследования . 20 (9): 1191–1197. дои : 10.1101/гр.105361.110 . ПМЦ 2928497 . ПМИД 20627891 .
- ^ Либиуль, Сесиль; и др. (апрель 2007 г.). «Новый локус болезни Крона, идентифицированный с помощью общегеномной ассоциации, картирует генную пустыню на 5p13.1 и модулирует экспрессию PTGER4» . ПЛОС Генетика . 3 (4): е58. doi : 10.1371/journal.pgen.0030058 . ПМЦ 1853118 . ПМИД 17447842 .
- ^ Харисменди, Оливье; и др. (10 февраля 2011 г.). «Варианты ДНК 9p21, связанные с ишемической болезнью сердца, ухудшают реакцию передачи сигналов интерферона-гамма» . Природа . 470 (7333): 264–268. Бибкод : 2011Natur.470..264H . дои : 10.1038/nature09753 . ПМК 3079517 . ПМИД 21307941 .