Forsterker (genetikk) - Enhancer (genetics)
I genetikk er en enhancer en kort (50–1500 bp) region av DNA som kan bindes av proteiner ( aktivatorer ) for å øke sannsynligheten for at transkripsjon av et bestemt gen vil forekomme. Disse proteinene blir vanligvis referert til som transkripsjonsfaktorer . Enhancers er cis-fungerende . De kan være lokalisert opptil 1 Mbp (1.000.000 bp) vekk fra genet, oppstrøms eller nedstrøms fra startstedet. Det er hundretusener av forsterkere i det menneskelige genomet. De finnes i både prokaryoter og eukaryoter.
Den første oppdagelsen av en eukaryot forsterker var i immunoglobulins tungkjede -gen i 1983. Denne forsterkeren, som ligger i det store intronet, ga en forklaring på transkripsjonell aktivering av omorganiserte Vh -genpromotorer mens urarrangerte Vh -promotorer forble inaktive.
Steder
I eukaryote celler er strukturen til kromatinkomplekset i DNA brettet på en måte som funksjonelt etterligner den superkrøllede tilstanden som er karakteristisk for prokaryot DNA, så selv om forsterknings -DNA kan være langt fra genet på en lineær måte, er det romlig nær promotoren og gen. Dette gjør at den kan samhandle med de generelle transkripsjonsfaktorene og RNA -polymerase II . Den samme mekanismen gjelder for lyddempere i det eukaryote genomet. Lyddempere er antagonister til forsterkere som, når de er bundet til de riktige transkripsjonsfaktorene som kalles repressorer , undertrykker transkripsjonen av genet. Dempere og forsterkere kan være i nærheten av hverandre eller kan til og med være det samme området som bare differensieres av transkripsjonsfaktoren som regionen binder seg til.
En forsterker kan være plassert oppstrøms eller nedstrøms for genet det regulerer. Videre trenger ikke en forsterker å være plassert i nærheten av transkripsjonsinitieringsstedet for å påvirke transkripsjonen, ettersom noen har blitt funnet lokalisert i flere hundre tusen basepar oppstrøms eller nedstrøms for startstedet. Forsterkere virker ikke på selve promotorregionen, men er bundet av aktivatorproteiner . Disse aktivatorproteinene interagerer med mediatorkomplekset , som rekrutterer polymerase II og de generelle transkripsjonsfaktorene som deretter begynner å transkribere genene. Forsterkere kan også finnes i introner . En forbedringsorientering kan til og med reverseres uten å påvirke funksjonen. I tillegg kan en forsterker fjernes og settes inn andre steder i kromosomet, og fortsatt påvirke gentranskripsjon. Det er en grunn til at introner polymorfismer kan ha effekter selv om de ikke er oversatt . Forsterkere kan også finnes i den eksoniske regionen til et ikke -relatert gen, og de kan virke på gener på et annet kromosom .
Enhancers er bundet av p300-CBP, og deres plassering kan spås av ChIP-seq mot denne familien av koaktivatorer.
Forsterkere, transkripsjonsfaktorer, Mediator -kompleks og DNA -sløyfer i pattedyrstranskripsjon
Genuttrykk hos pattedyr er regulert av mange cis-regulatoriske elementer , inkludert kjernepromotorer og promoter-proksimale elementer som er lokalisert nær transkripsjonens startsteder for gener. Kjernepromotører er tilstrekkelige til å dirigere transkripsjon initiering, men har generelt lav basal aktivitet. Andre viktige cis-regulerende moduler er lokalisert i DNA-regioner som er fjernt fra transkripsjonsstartstedene. Disse inkluderer forsterkere, lyddempere , isolatorer og bindingselementer. Blant denne stjernebildet har forsterkere og tilhørende transkripsjonsfaktorer en ledende rolle i reguleringen av genuttrykk. En forsterker lokalisert i en DNA-region fjernt fra promotoren til et gen kan ha en veldig stor effekt på genuttrykk, med noen gener som får opptil 100 ganger økt ekspresjon på grunn av en aktivert forsterker.
Enhancers er områder av genomet som er viktige genregulerende elementer. Forsterkere kontrollerer celletypespesifikke genuttrykksprogrammer, oftest ved å sløyfe gjennom lange avstander for å komme i fysisk nærhet med promotorene til målgenene. Selv om det er hundretusener av forsterknings -DNA -regioner, blir det for en bestemt type vev bare spesifikke forsterkere som kommer i nærheten av promotorene de regulerer. I en studie av hjernekortikale nevroner ble 24 937 sløyfer funnet, noe som brakte forsterkere til målpromotørene. Flere forsterkere, hver ofte ved titalls eller hundretusener av nukleotider fjernt fra målgenene, går til målgenpromotorer og kan koordinere med hverandre for å kontrollere uttrykket av deres vanlige målgen.
Den skjematiske illustrasjonen i denne seksjonen viser en forsterker som løkker rundt for å komme i nær fysisk nærhet med promotoren til et målgen. Sløyfen stabiliseres av en dimer av et koblingsprotein (f.eks. Dimer av CTCF eller YY1 ), med et medlem av dimeren forankret til dets bindingsmotiv på forsterkeren og det andre elementet forankret til dets bindingsmotiv på promotoren (representert av røde sikksakk i illustrasjonen). Flere cellefunksjonsspesifikke transkripsjonsfaktorer (det er omtrent 1600 transkripsjonsfaktorer i en menneskelig celle) binder seg generelt til spesifikke motiver på en forsterker og en liten kombinasjon av disse forsterkerbundne transkripsjonsfaktorene, når de bringes nær en promoter av en DNA-sløyfe, styrer nivå av transkripsjon av målgenet. Mediator (et kompleks som vanligvis består av omtrent 26 proteiner i en interagerende struktur) kommuniserer regulatoriske signaler fra forsterker-DNA-bundne transkripsjonsfaktorer direkte til RNA-polymerase II (pol II) enzymet bundet til promotoren.
Enhancers, når de er aktive, blir generelt transkribert fra begge DNA -strenger med RNA -polymeraser som virker i to forskjellige retninger, og produserer to Enhancer RNA (eRNA) som illustrert i figuren. En inaktiv forsterker kan være bundet av en inaktiv transkripsjonsfaktor. Fosforylering av transkripsjonsfaktoren kan aktivere den, og den aktiverte transkripsjonsfaktoren kan deretter aktivere forsterkeren som den er bundet til (se liten rød stjerne som representerer fosforylering av transkripsjonsfaktor bundet til forsterker i illustrasjonen). En aktivert forsterker begynner transkripsjon av dets RNA før aktivering av transkripsjon av messenger -RNA fra målgenet.
Teorier
Fra 2005 er det to forskjellige teorier om informasjonsbehandling som forekommer på forsterkere:
- Enhanceosomes - stole på meget samarbeidsvillig, koordinert handling og kan deaktiveres ved enkeltpunktmutasjoner som beveger seg eller fjerne bindingsstedene for individuelle proteiner.
- Fleksible reklametavler - mindre integrerende, flere proteiner regulerer uavhengig uavhengig av hverandre og summen blir lest inn av det basale transkripsjonelle maskineriet.
Eksempler i det menneskelige genomet
HACNS1
HACNS1 (også kjent som CENTG2 og ligger i Human Accelerated Region 2) er en genforsterker "som kan ha bidratt til utviklingen av den unikt motstående menneskelige tommelen , og muligens også modifikasjoner i ankelen eller foten som gjør at mennesker kan gå på to ben ". Bevis til dags dato viser at av de 110 000 genforsterker -sekvensene som er identifisert i det menneskelige genomet , har HACNS1 gjennomgått den største endringen under utviklingen av mennesker etter splittelsen med forfedrene til sjimpanser .
GADD45G
En forsterker nær genet GADD45g er beskrevet som kan regulere hjernens vekst hos sjimpanser og andre pattedyr, men ikke hos mennesker. GADD45G -regulatoren hos mus og sjimpanser er aktiv i hjernens områder hvor celler som danner cortex, ventral forhjerne og thalamus er lokalisert og kan undertrykke ytterligere nevrogenese. Tap av GADD45G -forsterkeren hos mennesker kan bidra til en økning i visse nevronpopulasjoner og til forhjerneutvidelse hos mennesker.
I utviklingsbiologi
Utvikling, differensiering og vekst av celler og vev krever nøyaktig regulerte mønstre for genuttrykk . Enhancers fungerer som cis-regulerende elementer for å formidle både romlig og tidsmessig kontroll av utvikling ved å slå på transkripsjon i spesifikke celler og/eller undertrykke den i andre celler. Således kontrollerer den spesielle kombinasjonen av transkripsjonsfaktorer og andre DNA-bindende proteiner i et vev i utvikling hvilke gener som vil bli uttrykt i det vevet. Enhancers lar det samme genet brukes i forskjellige prosesser i rom og tid.
Identifikasjon og karakterisering
Tradisjonelt ble forsterkere identifisert ved hjelp av forsterkertrap -teknikker ved bruk av et reportergen eller ved komparativ sekvensanalyse og beregningsgenomikk. I genetisk medgjørlig modeller som bananflue Drosophila melanogaster , for eksempel, en rapportørkonstruksjonen slik som lacZ -genet kan bli tilfeldig integrert i genomet ved hjelp av en P-element transposon . Hvis reportergenet integreres i nærheten av en forsterker, vil uttrykket reflektere ekspresjonsmønsteret drevet av denne forsterkeren. Farging av fluene for LacZ -ekspresjon eller aktivitet og kloning av sekvensen rundt integrasjonsstedet tillater således identifisering av forsterkersekvensen.
Utviklingen av genomiske og epigenomiske teknologier har imidlertid dramatisk endret utsiktene for funn av cis-regulatoriske moduler (CRM). Neste generasjons sekvensering (NGS) -metoder muliggjør nå funksjonelle CRM-oppdagelsesanalyser med høy gjennomstrømning og de enormt økende mengdene med tilgjengelig data, inkludert store biblioteker med transkripsjonsfaktorbindende nettsted (TFBS) -motiver , samlinger av kommenterte, validerte CRM-er, og omfattende epigenetiske data på tvers av mange celletyper, gjør nøyaktig beregningsmessig CRM -oppdagelse til et oppnåelig mål. Et eksempel på NGS-basert tilnærming kalt DNase-seq har muliggjort identifisering av nukleosom-utarmede eller åpne kromatinregioner, som kan inneholde CRM. Nylig har teknikker som ATAC-seq blitt utviklet som krever mindre utgangsmateriale. Nukelosomutarmede regioner kan identifiseres in vivo gjennom ekspresjon av Dam-metylase , noe som gir større kontroll over celletypespesifikk enhancer-identifikasjon. Beregningsmetoder inkluderer komparativ genomikk, gruppering av kjente eller forutsagte TF-bindingssteder og overvåket maskinlæringsmetoder som er trent på kjente CRM-er. Alle disse metodene har vist seg effektive for CRM-oppdagelse, men hver har sine egne hensyn og begrensninger, og hver er gjenstand for et større eller mindre antall falskt positive identifikasjoner. I den komparative genomiske tilnærmingen kan sekvensbevaring av ikke-kodende regioner indikere forsterkere. Sekvenser fra flere arter er justert, og bevarte regioner identifiseres beregningsmessig. Identifiserte sekvenser kan deretter festes til et reportergen slik som grønt fluorescerende protein eller lacZ for å bestemme in vivo -mønsteret for genuttrykk produsert av forsterkeren når det injiseres i et embryo. mRNA -uttrykk for reporteren kan visualiseres ved in situ -hybridisering , noe som gir et mer direkte mål på forsterkeraktivitet, siden det ikke utsettes for kompleksiteten i translasjon og proteinfolding . Selv om mye bevis har pekt på sekvensbevaring for kritiske utviklingsforbedrere, har annet arbeid vist at funksjonen til forsterkere kan bevares med liten eller ingen bevaring av primærsekvens. For eksempel har RET -forsterkere hos mennesker svært liten sekvensbevaring enn hos sebrafisk , men begge artens sekvenser gir nesten identiske mønstre for reportergenuttrykk i sebrafisk. På samme måte, hos sterkt divergerte insekter (adskilt med rundt 350 millioner år), ble lignende genuttrykksmønstre for flere nøkkelgener funnet å være regulert gjennom lignende konstituerte CRM selv om disse CRM ikke viser noen merkbar sekvensbevaring som kan påvises ved standard sekvensjusteringsmetoder som f.eks. BLAST .
I segmentering av insekter
Forsterkerne som bestemmer tidlig segmentering i Drosophila melanogaster -embryoer er blant de best karakteriserte utviklingsforsterkere. I det tidlige flyembryoet er gap -transkripsjonsfaktorene ansvarlige for å aktivere og undertrykke en rekke segmenteringsgener, for eksempel parregelgenene . Gapegenene uttrykkes i blokker langs fluens fremre-bakre akse sammen med andre maternelle effekt- transkripsjonsfaktorer, og skaper dermed soner der forskjellige kombinasjoner av transkripsjonsfaktorer uttrykkes. Parregelgenene skilles fra hverandre av ikke-uttrykkende celler. Videre blir uttrykksstrimlene for forskjellige parregelgener kompensert av noen få cellediametre fra hverandre. Således skaper unike kombinasjoner av par-regel genuttrykk romlige domener langs den fremre-bakre aksen for å sette opp hvert av de 14 individuelle segmentene. Forsterkeren på 480 bp som er ansvarlig for å kjøre den skarpe stripen to av parregelgenet som er jevnt hoppet over ( eve ) har blitt godt karakterisert. Forsterkeren inneholder 12 forskjellige bindingssteder for transkripsjonsfaktorer for mor og gap. Aktiverings- og undertrykkelsesområder overlapper i rekkefølge. Eve uttrykkes bare i en smal stripe av celler som inneholder høye konsentrasjoner av aktivatorene og lav konsentrasjon av repressorene for denne forsterkersekvensen. Andre forsterkningsområder driver kveldsuttrykk i 6 andre striper i embryoet.
I virveldyrsmønstre
Etablering av kroppsakser er et kritisk trinn i utvikling av dyr. Under musens embryonale utvikling er Nodal , en transformerende vekstfaktor-beta- superfamilie-ligand, et sentralt gen som er involvert i å mønstre både den fremre-bakre aksen og venstre-høyre-aksen til det tidlige embryoet. Den knutepunktet genet inneholder to forsterkere ved at den nærliggende epiblast enhancer (PEE) og den asymmetriske enhancer (ASE). PEE er oppstrøms for Nodal -genet og driver Nodal -uttrykk i den delen av den primitive rekken som vil differensiere til noden (også referert til som den primitive noden ). PEE slår på Nodal -uttrykk som svar på en kombinasjon av Wnt -signalering pluss et andre, ukjent signal; således binder et medlem av LEF/TCF -transkripsjonsfaktorfamilien seg sannsynligvis til et TCF -bindingssted i cellene i noden. Diffusjon av Nodal vekk fra noden danner en gradient som deretter mønstre den forlengende fremre-bakre aksen til embryoet. ASE er et intron enhancer bundet av gaffelhodet domene transkripsjonsfaktor Fox1. Tidlig i utviklingen etablerer Fox1-drevet Nodal-uttrykk den viscerale endodermen. Senere i utviklingen driver Fox1-binding til ASE Nodal uttrykk på venstre side av sideplaten mesoderm , og etablerer dermed venstre-høyre asymmetri nødvendig for asymmetrisk organutvikling i mesoderm.
Etablering av tre kimlag under gastrulering er et annet kritisk trinn i dyreutviklingen. Hvert av de tre kimlagene har unike mønstre for genuttrykk som fremmer deres differensiering og utvikling. Den endoderm er spesifisert tidlig i utviklingen av Gata4 uttrykk, og Gata4 går på å direkte gut morphogenesis senere. Gata4 -uttrykk kontrolleres i det tidlige embryoet av en intronisk forsterker som binder en annen transkripsjonsfaktor for forkhead -domenet, FoxA2. Opprinnelig driver forsterkeren bredt genuttrykk i hele embryoet, men uttrykket blir raskt begrenset til endoderm, noe som tyder på at andre repressorer kan være involvert i begrensningen. Sent i utviklingen begrenser den samme forsterkeren uttrykket til vevet som blir mage og bukspyttkjertel. En ekstra forsterker er ansvarlig for å opprettholde Gata4 -uttrykk i endoderm i de mellomliggende stadiene av tarmutvikling .
Flere forsterkere fremmer utviklingsmessig robusthet
Noen gener som er involvert i kritiske utviklingsprosesser inneholder flere forsterkere av overlappende funksjon. Sekundære forsterkere, eller "skyggeforsterkere", kan bli funnet mange kilobaser unna den primære forsterkeren ("primær" refererer vanligvis til den første forsterkeren som ble oppdaget, som ofte er nærmere genet det regulerer). Hver forsterker driver på egen hånd nesten identiske mønstre for genuttrykk. Er de to forbedringene virkelig overflødige? Nyere arbeid har vist at flere forsterkere lar fruktfluer overleve miljøforstyrrelser, for eksempel en økning i temperaturen. Når den blir hevet ved forhøyet temperatur, klarer noen enkelt forsterker noen ganger ikke å kjøre hele uttrykksmønsteret, mens tilstedeværelsen av begge forsterkere tillater normal genuttrykk.
Evolusjon av utviklingsmekanismer
Et tema for forskning innen evolusjonær utviklingsbiologi ("evo-devo") er å undersøke rollen til forsterkere og andre cis-regulerende elementer for å produsere morfologiske endringer via utviklingsforskjeller mellom arter.
stingsild Pitx1
Nyere arbeider har undersøkt hvilken rolle enhancers i morfologiske endringer i threespine stingsild fisk. Sticklebacks eksisterer i både marine og ferskvannsmiljøer, men sticklebacks i mange ferskvannsbestander har helt mistet bekkenfenene (vedlegg homologe til tetrapods bakre lem).
Pitx1 er et homebox -gen som er involvert i utvikling av posterior lemmer hos virveldyr. Foreløpige genetiske analyser indikerte at endringer i uttrykket av dette genet var ansvarlig for bekkenreduksjon i sticklebacks. Fisk som kun uttrykker den ferskvann allel av Pitx1 ikke har bekkenet pigger, mens fisk som uttrykker en marin allel beholde bekken pigger. En mer grundig karakterisering viste at en forsterkersekvens på 500 basepar er ansvarlig for å slå på Pitx1 -uttrykk i den bakre finneknoppen . Denne forsterkeren befinner seg i nærheten av et kromosomalt skjørt sted - en sekvens av DNA som sannsynligvis vil bli brutt og dermed mer sannsynlig å bli mutert som et resultat av upresis DNA -reparasjon . Dette skjøre stedet har forårsaket gjentatte, uavhengige tap av forsterkeren som er ansvarlig for å drive Pitx1 -uttrykk i bekkenryggene i isolert ferskvannsbestand, og uten denne forsterkeren klarer ferskvannsfisk ikke å utvikle bekkenrygg.
I Drosophila vingemønsterutvikling
Pigmenteringsmønstre gir en av de mest slående og lett skårne forskjellene mellom forskjellige dyrearter. Pigmentering av Drosophila -vingen har vist seg å være et spesielt egnet system for å studere utviklingen av komplekse pigmenteringsfenotyper. Den Drosophila guttifera fløyen har 12 mørke pigmentflekker og 4 lysere grå intervein patcher. Pigmentflekker oppstår fra uttrykk for det gule genet, hvis produkt produserer svart melanin . Nyere arbeid har vist at to forsterkere i det gule genet produserer genuttrykk i nettopp dette mønsteret - veneflekkforsterkeren driver reportergenuttrykk i de 12 stedene, og intervein -nyanseforsterkeren driver reporteruttrykk i de 4 forskjellige flekkene. Disse to forsterkere reagerer på Wnt -signalveien , som aktiveres av vingeløst uttrykk på alle de pigmenterte stedene. Således, i utviklingen av komplekset pigmentering fenotype , det gule pigment genet utviklet forsterkere som reagerer på vingeløse signal og vingeløse uttrykk som utvikles ved nye steder for å fremstille nye vingemønstre.
Ved betennelse og kreft
Hver celle inneholder vanligvis flere hundre av en spesiell klasse av forsterkere som strekker seg over mange kilobaser lange DNA-sekvenser, kalt " superforsterkere ". Disse forsterkere inneholder et stort antall bindingssteder for sekvensspesifikke, induserbare transkripsjonsfaktorer og regulerer ekspresjon av gener involvert i celledifferensiering. Under betennelse letter transkripsjonsfaktoren NF-KB remodellering av kromatin på en måte som selektivt distribuerer kofaktorer fra forsterkere med høy belegg, og derved undertrykker gener som er involvert i å opprettholde mobilidentifikasjon hvis uttrykk de forbedrer; på samme tid aktiverer denne F-κB-drevne ombyggingen og omfordelingen andre forsterkere som styrer endringer i mobilfunksjonen gjennom betennelse. Som et resultat omprogrammerer betennelse celler, og endrer samspillet med resten av vevet og immunsystemet. Ved kreft er proteiner som kontrollerer NF-KB-aktivitet dysregulert, slik at ondartede celler reduserer avhengigheten av interaksjoner med lokalt vev og hindrer overvåking av immunsystemet .
Se også
Referanser
Eksterne linker
- Enhancer+Elements, Genetic ved US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)
- TFSEARCH
- JASPAR
- ENCODE threads explorer Forbedre oppdagelse og karakterisering. Natur