Сайленсеры ДНК: регуляция экспрессии генов

Введение

Тип последовательности ДНК

В генетике глушитель — это последовательность ДНК, способная связывать факторы регуляции транскрипции, называемые репрессорами. ДНК содержит гены и служит матрицей для производства мРНК (матричной РНК). Эта мРНК затем транслируется в белки. Когда репрессорный белок связывается с областью глушителя ДНК, РНК-полимераза не может транскрибировать эту последовательность ДНК в РНК. При блокировке транскрипции трансляция РНК в белки становится невозможной. Таким образом, глушители предотвращают экспрессию генов в виде белков. РНК-полимераза, ДНК-зависимый фермент, транскрибирует последовательности ДНК, называемые нуклеотидами, в направлении от 3' к 5', в то время как комплементарная РНК синтезируется в направлении от 5' к 3'. РНК похожа на ДНК, за исключением того, что РНК содержит урацил вместо тимина, который образует пару оснований с аденином. Важной областью для активности генной репрессии и экспрессии, обнаруженной в РНК, является 3'-нетранслируемая область. Это область на 3'-конце РНК, которая не транслируется в белок, но включает в себя множество регуляторных областей. О глушителях пока известно немного, но ученые продолжают их изучать, надеясь классифицировать больше типов, местоположений в геноме и заболеваний, связанных с глушителями.

Расположения в геноме

Заглушитель — это последовательно-специфический элемент, вызывающий негативный эффект на транскрипцию конкретного гена. В ДНК существует множество положений, в которых может располагаться элемент-заглушитель. Наиболее часто он находится выше по течению от целевого гена, где может способствовать подавлению транскрипции этого гена. Расстояние между ними может значительно варьироваться – от приблизительно 20 до 2000 пар оснований выше по течению от гена. Некоторые заглушители могут быть найдены ниже по течению от промотора, расположенного внутри интрона или экзона самого гена. Заглушители также обнаружены в 3'-нетранслируемой области (3'-UTR) мРНК.

Типы

В настоящее время в ДНК выделяют два основных типа сайленсеров: классический сайленсерный элемент и неклассический отрицательный регуляторный элемент (NRE). В классических сайленсерах ген активно подавляется сайленсерным элементом, главным образом, путем препятствования сборке общих факторов транскрипции (GTF). Гены прокариот группируются вместе на основе сходства функций в единицы, называемые оперонами, которые состоят из промотора и оператора. Оператор является местом связывания репрессора и, таким образом, выполняет функцию, эквивалентную сайленсерной области в эукариотической ДНК. Когда репрессорный белок связывается с оператором, РНК-полимераза не может связаться с промотором для инициации транскрипции оперона.

Репрессия оперона лака

Лак-оперон у прокариота E. coli состоит из генов, кодирующих ферменты для расщепления лактозы. Этот оперон является примером прокариотического репрессора. Три функциональных гена в этом опероне – lacZ, lacY и lacA. На уровне транскрипции экспрессия генов регулируется изменением скорости транскрипции. Гены, кодирующие белки, включают экзоны, которые кодируют полипептиды, интроны, которые удаляются из мРНК перед трансляцией белков, сайт начала транскрипции, к которому связывается РНК-полимераза, и промотор.

Сжатие коробки TATA

Гены эукариотов содержат расположенный выше по течению промотор и основной промотор, также называемый базальным промотором. Распространенным базальным промотором является последовательность TATAAAAAA, известная как TATA-бокс. TATA-бокс представляет собой комплекс из нескольких различных белков, включая фактор транскрипции II D (TFIID), который включает в себя TATA-связывающий белок (TBP), связывающийся с TATA-боксом вместе с 13 другими белками, связывающимися с TBP. К белкам, связывающим TATA-бокс, также относится фактор транскрипции II B (TFIIB), который связывается как с ДНК, так и с РНК-полимеразами. Репрессорный белок может иметь области, связывающиеся с последовательностью ДНК, а также области, связывающиеся с факторами транскрипции, собранными у промотора гена, что создает механизм хромосомных петель. Сайленсеры, будучи закодированными в геноме, подвержены таким изменениям, которые во многих случаях могут приводить к серьезным фенотипическим и функциональным аномалиям. В общем случае, мутации в элементах или областях сайленсера могут приводить либо к ингибированию действия сайленсера, либо к персистирующей репрессии необходимого гена. Это, в свою очередь, может приводить к экспрессии или подавлению нежелательного фенотипа, который может влиять на нормальную функциональность определенных систем в организме. Среди множества сайленсерных элементов и белков, REST/NSRF является важным сайленсерным фактором, оказывающим разнообразное влияние, не ограничивающееся нервными аспектами развития. Фактически, во многих случаях REST/NSRF действует совместно с RE 1/NRSE для репрессии и влияния на не-нейрональные клетки. Его эффекты варьируются от лягушек (Xenopus laevis) до человека, с многочисленными последствиями для фенотипа и развития. У Xenopus laevis, дисфункция или повреждение REST/NRSF было связано с аномальным формированием эктодермы в процессе развития и значительными последствиями для развития нервной трубки, черепных ганглиев и глаз. У человека, дефицит сайленсерного элемента REST/NSRF был связан с болезнью Гентингтона из-за снижения транскрипции BDNF. Кроме того, текущие исследования показывают, что NRSE участвует в регуляции гена ANP, который при сверхэкспрессии может приводить к гипертрофии желудочков. Мутации в комплексах Polycomb group (PcG) также приводили к значительным изменениям в физиологических системах организмов. Следовательно, модификация сайленсерных элементов и последовательностей может приводить либо к разрушительным, либо к незаметным изменениям.

Eukaryotic genes contain an upstream promoter and a core promoter also referred to as a basal promoter. A common basal promoter is the TATAAAAAA sequence known as the TATA box. The TATA box is a complex with several different proteins including transcription factor II D (TFIID) which includes the TATA binding protein (TBP) that binds to the TATA box along with 13 other proteins that bind to TBP. The TATA box binding proteins also include the transcription factor II B (TFIIB) which binds to both DNA and RNA polymerases. A repressor protein may have regions that bind to the DNA sequence as well as regions that bind to the transcription factors assembled at the promoter of the gene which would create a chromosome looping mechanism. Silencers, being encoded in the genome, are susceptible to such alterations which, in many cases, can lead to severe phenotypical and functional abnormalities. In general terms, mutations in silencer elements or regions could lead to either the inhibition of the silencer's action or to the persisting repression of a necessary gene. This can then lead to the expression or suppression of an undesired phenotype which may affect the normal functionality of certain systems in the organism. Among the many silencer elements and proteins, REST/NSRF is an important silencer factor that has a variety of impacts, not only in neural aspects of development. In fact, in many cases, REST/NSRF acts in conjunction with RE 1/NRSE to repress and influence non neuronal cells. Its effects range from frogs (Xenopus laevis) to humans, with innumerous effects in phenotype and also in development. In Xenopus laevis, REST/NRSF malfunction or damage has been associated to abnormal ectodermal patterning during development and significant consequences in neural tube, cranial ganglia, and eye development. In humans, a deficiency in the REST/NSRF silencer element has been correlated to Huntington's disease due to the decrease in the transcription of BDNF. Furthermore, ongoing studies indicate that NRSE is involved in the regulation of the ANP gene, which when over expressed, can lead to ventricular hypertrophy. Mutations in the Polycomb group (PcG) complexes also presented significant modifications in physiological systems of organisms. Hence, modification in silencer elements and sequences can result in either devastating or unnoticeable changes.

REST/NRSF у Xenopus laevis

Эффекты и влияние RE1/NRSE и REST/NRSF значительны в не-нейронных клетках, требующих подавления или «заглушения» нейронных генов. Эти элементы-репрессоры также регулируют экспрессию генов, не индуцирующих нейрон-специфические белки, и исследования показали существенное влияние этих факторов на клеточные процессы. У Xenopus laevis дисфункция или мутация RE1/NRSE и REST/NRSF оказали значительное влияние на развитие нервной трубки, черепных ганглиев и глаз. Эти нарушения могут прогрессировать до деменции, хореи и, в конечном итоге, смерти. На молекулярном уровне болезнь Гентингтона (HD) возникает в результате мутации в гене белка хантингтина (Htt). В частности, наблюдается аномальное повторение последовательности CAG в 5'-конце гена, что приводит к образованию токсичного полиглутаминового (polyQ) тракта в белке. Мутировавший белок Htt нарушает нормальные нейронные функции, ингибируя действие REST/NRSF. REST/NRSF является важным репрессорным элементом, который связывается с регуляторными областями для контроля экспрессии определенных белков, участвующих в нейронных функциях. Механизмы действия хантингтина до сих пор полностью не изучены, но существует корреляция между Htt и REST/NRSF при развитии HD. Связываясь с REST/NRSF, мутировавший белок хантингтина ингибирует действие репрессора и удерживает его в цитозоле. Таким образом, REST/NRSF не может проникнуть в ядро и связаться с 21-паровым регуляторным элементом RE1/NRSE. Адекватная репрессия специфических генов-мишеней имеет фундаментальное значение, поскольку многие из них участвуют в правильном развитии нейронных рецепторов, нейротрансмиттеров, белков синаптических везикул и канальных белков. Дефицит в правильном развитии этих белков может вызывать нейронные дисфункции, наблюдаемые при болезни Гентингтона. Помимо отсутствия репрессии из-за неактивного REST/NRSF, мутировавший белок хантингтина также может снижать транскрипцию гена мозгового нейротрофического фактора (BDNF). BDNF влияет на выживание и развитие нейронов в центральной и периферической нервной системе. Эта аномальная репрессия происходит, когда область RE1/NRSE в промоторной области BDNF активируется связыванием REST/NRSF, что приводит к отсутствию транскрипции гена BDNF. Следовательно, аномальное подавление белка BDNF указывает на значительное влияние на болезнь Гентингтона.

The effects and influences of RE1/NRSE and REST/NRSF are significant in non neuronal cells that require the repression or silencing of neuronal genes. These silencer elements also regulate the expression of genes that do not induce neuron specific proteins and studies have shown the extensive impact these factors have in cellular processes. In Xenopus laevis, RE1/NRSE and REST/NRSF dysfunction or mutation demonstrated significant impact on neural tube, cranial ganglia, and eye development. These impairments can develop into dementia, chorea, and eventually death. At the molecular level, HD results from a mutation in the huntingtin protein (Htt). More specifically, there is an abnormal repetition of a CAG sequence towards the 5’ end of the gene, which then leads to the development of a toxic polyglutamine (polyQ) stretch in the protein. The mutated Htt protein affects an individual's proper neural functions by inhibiting the action of REST/NRSF. REST/NRSF is an important silencer element that binds to regulatory regions to control the expression of certain proteins involved in neural functions. The mechanistic actions of huntingtin are still not fully understood, but a correlation between Htt and REST/NRSF exists in HD development. By attaching to the REST/NRSF, the mutated huntingtin protein inhibits the action of the silencer element, and retains it in the cytosol. Thus, REST/NRSF cannot enter the nucleus and bind to the 21 base pair RE 1/NRSE regulatory element. An adequate repression of specific target genes are of fundamental importance, as many are involved in the proper development of neuronal receptors, neurotransmitters, synaptic vesicle proteins, and channel proteins. A deficiency in the proper development of these proteins can cause the neural dysfunctions seen in Huntington's disease. In addition to the lack of repression due to the inactive REST/NRSF, mutated huntingtin protein can also decrease the transcription of the brain derived neurotropic factor (BDNF) gene. BDNF influences the survival and development of neurons in the central nervous system as well as the peripheral nervous system. This abnormal repression occurs when the RE1/NRSE region within the BDNF promoter region is activated by the binding of REST/NRSF, which leads to the lack of transcription of the BDNF gene. Hence, the anomalous repression of the BDNF protein suggests a significant impact in Huntington's disease.

Текущие исследования REST/NRSF и желудочковой гипертрофии у млекопитающих

REST/NRSF в сочетании с RE1/NRSE также действует за пределами нервной системы как регуляторы и репрессоры. Современные исследования выявили связь между активностью RE1/NRSE и регуляцией экспрессии гена предсердного натрийуретического пептида (ANP). Помимо влияния на ген ANP, последовательность NRSE регулирует другие эмбриональные гены сердца, такие как мозговой натрийуретический пептид BNP, скелетный α-актин и α3-субъединицу Na,K-АТФазы.