Транскрипционный разрыв
Транскрипционный взрыв , также известный как транскрипционная пульсация , является фундаментальным свойством генов, при котором транскрипция от ДНК к РНК может происходить в виде «всплесков» или «импульсов», что наблюдалось у различных организмов, от бактерий до млекопитающих. [1] [2] [3] [4] [5]
Обнаружение явления
[ редактировать ]Это явление стало известно с появлением таких технологий, как мечение MS2 и флуоресценция одиночных молекул РНК in situ , позволяющих обнаруживать выработку РНК в отдельных клетках посредством точных измерений количества РНК или появления РНК в гене. Другие, более распространенные методы, такие как нозерн-блоттинг , микрочипы , RT-PCR и RNA-Seq , измеряют объемные уровни РНК из гомогенных популяционных экстрактов. Эти методы теряют динамическую информацию от отдельных клеток и создают впечатление, что транскрипция представляет собой непрерывный плавный процесс. На уровне отдельных клеток транскрипция носит нерегулярный характер: сильные периоды активности перемежаются длительными периодами бездействия.
Механизм
[ редактировать ]Всплеск может быть результатом стохастической природы биохимических событий, наложенных на двухступенчатое колебание. Предполагается, что в простейшей форме ген существует в двух состояниях: в одном из них активность незначительна, а во втором существует определенная вероятность активации. [6] Только во втором состоянии легко происходит транскрипция. Кажется вероятным, что некоторые рудиментарные эукариоты имеют гены, которые не проявляют взрыва. Гены всегда находятся в разрешающем состоянии, с простой вероятностью, описывающей количество сгенерированных РНК. [7]
Более поздние данные показывают, что модель двух состояний может быть чрезмерным упрощением. Транскрипцию гена c-Fos в ответ на стимуляцию сывороткой можно, по большей части, обобщить двумя состояниями, хотя в определенные моменты после стимуляции третье состояние лучше объясняет дисперсию данных. [8] Другая модель предполагает, что может применяться модель двух состояний, но каждая клетка имеет разную скорость транскрипции в активном состоянии. [9] Другие анализы указывают на спектр или континуум состояний активности. [10] [11] Ядерный и сигнальный ландшафт сложных эукариотических ядер может благоприятствовать более чем двум простым состояниям — например, существует более нескольких десятков посттрансляционных модификаций нуклеосом и, возможно, сотни различных белков, участвующих в средней эукариотической реакции транскрипции.
Что представляют собой репрессивные и разрешающие государства? Привлекательная идея состоит в том, что подавленное состояние представляет собой закрытую конформацию хроматина , тогда как пермиссивные состояния более открыты. Другая гипотеза состоит в том, что флуктуации между состояниями отражают обратимые переходы при связывании и диссоциации прединициирующих комплексов. [12] Всплески могут также быть результатом прерывистой передачи сигналов, эффектов клеточного цикла или движения хроматина к фабрикам транскрипции и обратно . Было продемонстрировано, что на динамику взрыва влияет размер клеток. [13] и частота внеклеточной передачи сигналов. [14] Недавние данные показывают, что разрешительные и неактивные состояния различаются разной степенью сверхспирализации. [15]
Феномен взрыва, в отличие от простых вероятностных моделей транскрипции, может объяснить высокую вариабельность (см. транскрипционный шум ) в экспрессии генов, происходящую между клетками в изогенных популяциях. Эта изменчивость, в свою очередь, может иметь огромные последствия для поведения клеток, и ее необходимо смягчать или интегрировать. Предполагаемые механизмы подавления шума включают сильную внеклеточную передачу сигналов, [16] диффузия РНК и белка в синцитиях клеток, [17] проксимальная пауза промотора, [18] и ядерная ретенция транскриптов. [19] В определенных контекстах, таких как выживание микробов в быстро меняющихся стрессовых условиях, вариабельность экспрессии может иметь важное значение. [20] Вариабельность также влияет на эффективность клинического лечения: устойчивость бактерий к антибиотикам , очевидно, вызвана негенетическими различиями. [21] [22] Подобные явления могут способствовать резистентности субпопуляций раковых клеток к химиотерапии. [23] Предполагается, что спонтанная изменчивость экспрессии генов действует как источник разнообразия клеточных судеб в процессах самоорганизующейся дифференцировки. [24] и может выступать в качестве барьера для эффективных стратегий клеточного перепрограммирования. [25]
Примечания
[ редактировать ]- ^ Голдинг, я; Паулссон, Дж; Завильский, С.М.; Кокс, ЕС (2005). «Кинетика активности генов отдельных бактерий в реальном времени» . Клетка . 123 (6): 1025–36. дои : 10.1016/j.cell.2005.09.031 . ПМИД 16360033 .
- ^ Чабб, младший; Трчек, Т; Шеной, С.М.; Певица, Р.Х. (2006). «Транскрипционная пульсация гена развития» . Современная биология . 16 (10): 1018–25. дои : 10.1016/j.cub.2006.03.092 . ПМК 4764056 . ПМИД 16713960 .
- ^ Радж, А; Пескин, К.С.; Транчина, Д; Варгас, ДЮ; Тьяги, С (2006). «Стохастический синтез мРНК в клетках млекопитающих» . ПЛОС Биология . 4 (10): е309. дои : 10.1371/journal.pbio.0040309 . ПМЦ 1563489 . ПМИД 17048983 .
- ^ Бахар Халперн, К.; Танами, С; Ланден, С; Чапал, М; Шлак, Л; Хатцлер, А; Нижберг, А; Ицковиц, С (2015). «Всплеск экспрессии генов в интактной печени млекопитающих» . Молекулярная клетка . 58 (1): 147–56. doi : 10.1016/j.molcel.2015.01.027 . ПМК 4500162 . ПМИД 25728770 .
- ^ Сутер, DM; Молина, Н; Гатфилд, Д; Шнайдер, К; Шиблер, У; Наеф, Ф (2011). «Гены млекопитающих транскрибируются с совершенно разной кинетикой взрыва». Наука . 332 (6028): 472–4. Бибкод : 2011Sci...332..472S . дои : 10.1126/science.1198817 . ПМИД 21415320 . S2CID 20816960 .
- ^ Радж, А; Ван Ауденарден, А (2008). «Стохастическая экспрессия генов и ее последствия» . Клетка . 135 (2): 216–26. дои : 10.1016/j.cell.2008.09.050 . ПМК 3118044 . ПМИД 18957198 .
- ^ Зенклузен, Д; Ларсон, доктор медицинских наук; Певица, Р.Х. (2008). «Подсчет одиночных РНК выявляет альтернативные способы экспрессии генов у дрожжей» . Структурная и молекулярная биология природы . 15 (12): 1263–71. дои : 10.1038/nsmb.1514 . ПМК 3154325 . ПМИД 19011635 .
- ^ Сенекаль, А; Манский, Б; Пру, Ф; Ли, Н; Брей, FE; Циммер, К; Мюллер, Ф; Дарзак, X (2014). «Факторы транскрипции модулируют всплески транскрипции c-Fos» . Представитель ячейки . 8 (1): 75–83. дои : 10.1016/j.celrep.2014.05.053 . ПМЦ 5555219 . ПМИД 24981864 .
- ^ Шерман, М.С.; Лоренц, К; Ланье, Миннесота; Коэн, бакалавр (2015). «Межклеточная изменчивость склонности к транскрипции объясняет коррелированные колебания экспрессии генов» . Сотовая система . 1 (5): 315–325. дои : 10.1016/j.cels.2015.10.011 . ПМЦ 4662655 . ПМИД 26623441 .
- ^ Корриган, AM; Таннаклифф, Э; Кэннон, Д; Чабб, младший (2016). «Континуальная модель транскрипционного взрыва» . электронная жизнь . 5 . doi : 10.7554/eLife.13051 . ПМЦ 4850746 . ПМИД 26896676 .
- ^ Физерстоун, К; Привет, К; Момиджи, Х; Макнамара, А.В.; Патист, Алабама; Вудберн, Дж; Спиллер, Д.Г.; Кристиан, ХК; Макнейли, А.С.; Маллинз, Джей-Джей; Финкенштадт, БФ; Рэнд, округ Колумбия; Уайт, MR; Дэвис, младший (2016). «Пространственно-скоординированная динамическая транскрипция генов в живой ткани гипофиза» . электронная жизнь . 5 : e08494. doi : 10.7554/eLife.08494 . ПМЦ 4749562 . ПМИД 26828110 .
- ^ Рикх, Г; Ткачик, Г (2014). «Шум и передача информации в промоторах с множественными внутренними состояниями» . Биофиз. Дж . 106 (5): 1194–204. arXiv : 1307.8075 . Бибкод : 2014BpJ...106.1194R . дои : 10.1016/j.bpj.2014.01.014 . ПМК 4026790 . ПМИД 24606943 .
- ^ Падован-Мерхар, О; Наир, врач общей практики; Биеш, АГ; Майер, А; Скарфон, С; Фоли, Юго-Запад; Ву, АР; Черчман, Л.С.; Сингх, А; Радж, А. (2015). «Отдельные клетки млекопитающих компенсируют различия в клеточном объеме и количестве копий ДНК посредством независимых глобальных механизмов транскрипции» . Мол. Клетка . 58 (2): 339–52. doi : 10.1016/j.molcel.2015.03.005 . ПМК 4402149 . ПМИД 25866248 .
- ^ Корриган, AM; Чабб, младший (2014). «Регуляция взрыва транскрипции с помощью естественно осциллирующего сигнала» . Курр Биол . 24 (2): 205–11. дои : 10.1016/j.cub.2013.12.011 . ПМЦ 3928820 . ПМИД 24388853 .
- ^ Чонг, С; Чен, К; Ге, Н; Се, XS (2014). «Механизм транскрипционного разрыва у бактерий» . Клетка . 158 (2): 314–26. дои : 10.1016/j.cell.2014.05.038 . ПМК 4105854 . ПМИД 25036631 .
- ^ Корриган, AM; Таннаклифф, Э; Кэннон, Д; Чабб, младший (2016). «Континуальная модель транскрипционного взрыва» . электронная жизнь . 5 . doi : 10.7554/eLife.13051 . ПМЦ 4850746 . ПМИД 26896676 .
- ^ Литтл, Южная Каролина; Тихонов М; Грегор, Т (2013). «Точная экспрессия генов развития возникает в результате глобальной стохастической транскрипционной активности» . Клетка . 154 (4): 789–800. дои : 10.1016/j.cell.2013.07.025 . ПМЦ 3778922 . ПМИД 23953111 .
- ^ Лага, М; Ботма, Япония; Эспозито, Э; Нг, С; Стефаник, Л; Цуй, С; Джонстон, Дж; Чен, К; Гилмор, Д.С.; Цайтлингер, Дж; Левин, М.С. (2013). «Приостановленный Pol II координирует морфогенез тканей эмбриона дрозофилы» . Клетка . 153 (5): 976–87. дои : 10.1016/j.cell.2013.04.045 . ПМЦ 4257494 . ПМИД 23706736 .
- ^ Баттич, Н; Штегер, Т; Пелкманс, Л. (2015). «Контроль изменчивости транскриптов в одиночных клетках млекопитающих» . Клетка . 163 (7): 1596–610. дои : 10.1016/j.cell.2015.11.018 . ПМИД 26687353 .
- ^ Лосик, Р.; Десплан, К. (2008). «Стохастичность и судьба клетки» . Наука . 320 (5872): 65–68. Бибкод : 2008Sci...320...65L . дои : 10.1126/science.1147888 . ПМЦ 2605794 . ПМИД 18388284 .
- ^ Мойед, HS; Бертран, КП (1983). «HipA, недавно обнаруженный ген Escherichia coli K-12, который влияет на частоту персистенции после ингибирования синтеза муреина» . Журнал бактериологии . 155 (2): 768–75. дои : 10.1128/JB.155.2.768-775.1983 . ПМК 217749 . ПМИД 6348026 .
- ^ Льюис, К. (2010). «Персистерные клетки». Ежегодный обзор микробиологии . 64 : 357–372. дои : 10.1146/annurev.micro.112408.134306 . ПМИД 20528688 .
- ^ Шарма, СВ; Ли, ДЮ; Ли, Б.; Куинлан, член парламента; Такахаши, Ф.; Махешваран, С.; Макдермотт, Ю.; Азизян Н.; Цзоу, Л.; Фишбах, Массачусетс; Вонг, К.К.; Брандштеттер, К.; Виттнер, Б.; Рамасвами, С.; Классон, М.; Сеттлман, Дж. (2010). «Опосредованное хроматином обратимое состояние толерантности к лекарствам в субпопуляциях раковых клеток» . Клетка . 141 (1): 69–80. дои : 10.1016/j.cell.2010.02.027 . ПМЦ 2851638 . ПМИД 20371346 .
- ^ Мартинес Ариас, А; Брикман, Дж. М. (2011). «Неоднородность экспрессии генов в популяциях эмбриональных стволовых клеток: происхождение и функции». Курс. Мнение. Клеточная Биол . 23 (6): 650–6. дои : 10.1016/j.ceb.2011.09.007 . ПМИД 21982544 .
- ^ Хуанг, С. (2009). «Перепрограммирование судеб клеток: сочетание редкости и надежности» . Биоэссе . 31 (5): 546–60. doi : 10.1002/bies.200800189 . ПМИД 19319911 .