Ген TBXT: Структура, функция и роль в развитии позвоночных.

Введение

Ген, кодирующий белок, у вида Homo sapiens.

Т-бокс транскрипционный фактор T, также известный как белок Brachyury, кодируется у человека геном TBXT. Brachyury функционирует как фактор транскрипции в семействе генов T-box. Гомологи Brachyury были обнаружены у всех исследованных двусторонне-симметричных животных, а также у пресноводной гидры. Показано, что он кодирует эмбриональный ядерный транскрипционный фактор, состоящий из 436 аминокислот. Tbxt связывается с определенным элементом ДНК – почти палиндромной последовательностью TCACACCT – через область в своем N-конце, называемую T-box. Tbxt является родоначальником семейства T-box, которое у млекопитающих в настоящее время состоит из 18 генов T-box. Кристаллическая структура человеческого белка Brachyury была определена в 2017 году Офером Гиледи и его коллегами из Консорциума структурной геномики в Оксфорде.

Роль в развитии

Ген брахиурия, по-видимому, выполняет консервативную роль в определении средней линии билатерально симметричных организмов и, следовательно, в формировании передне-задней оси; эта функция проявляется у хордовых и моллюсков. Его эволюционная, или по крайней мере, роль у кишечнополостных, по-видимому, заключается в определении бластопора. Методы клеточных культур показали, что одна из его функций может заключаться в контроле скорости движения клеток при их выходе из первичной полоски. Он влияет на транскрипцию генов, необходимых для формирования мезодермы и дифференцировки клеток. Также было показано, что брахиурия способствует установлению плана строения шейных позвонков в период внутриутробного развития. Число шейных позвонков строго сохраняется у всех млекопитающих; однако, спонтанная мутация, вызывающая вертебральную и спинальную дисплазию (ВСД) в этом гене, связана с развитием шести или менее шейных позвонков вместо обычных семи.

Выражение

У мышей T экспрессируется во внутренней клеточной массе эмбриона на стадии бластоцисты (но не в большинстве эмбриональных стволовых клеток мыши), затем в примитивной полоске (см. рисунок). На более поздних стадиях развития экспрессия локализуется в узле и хорде. У Xenopus laevis Xbra (гомолог T у Xenopus, недавно также переименованный в t) экспрессируется в мезодермальной краевой зоне эмбриона до гаструляции, а затем локализуется в бластопоре и хорде на средней стадии гаструлы.

Ортологи

Ортолог вида Danio rerio известен как ntl (no tail).

Развитие хвоста

TBXT — это транскрипционный фактор, наблюдаемый у позвоночных организмов. Как таковой, он в первую очередь отвечает за генотип, кодирующий формирование хвоста, благодаря своей установленной роли в аксиальном развитии и формировании задней мезодермы в поясничной и крестцовой областях. В связи с ролью этого транскрипционного фактора в развитии позвоночника, его часто называют белком, в первую очередь ответственным за развитие хвоста у млекопитающих. Элемент Alu, который, как было установлено, катализирует безхвостость в TBXT, — это AluY. Хотя обычно элементы Alu сами по себе не оказывают существенного влияния, присутствие другого элемента Alu, активного в TBXT, AluSx1, закодировано таким образом, что его нуклеотиды являются инвертированными по отношению к AluY. Из-за этого два элемента объединяются в процессе репликации, что приводит к образованию структуры «стебель-петля» и альтернативного сплайсинга, который существенно влияет на транскрипцию. Эта структура изолирует и позиционирует кодоны, расположенные между двумя элементами Alu, в петле, напоминающей шпильку, которая, следовательно, не может быть спарена или транскрибирована. Захваченный материал, в частности, включает в себя 6-й экзон, кодирующий в TBXT. В структуре «стебель-петля» генетический материал, захваченный в петле, распознается белками системы репарации нуклеотидов, сопряженной с транскрипцией (TC NER), как повреждение из-за кажущейся остановки РНК-полимеразы в основании петли. Именно так возникают и повреждения — остановленный процесс транскрипции служит сигналом для белков TC NER, чтобы определить местоположение структуры «стебель-петля». После расщепления TBXT захваченные нуклеотиды, включая экзон 6, удаляются из завершенного процесса транскрипции механизмами TC NER. В результате вырезания экзона 6 информация, содержащаяся в этом экзоне, также удаляется из транскрипции. Следовательно, предполагается, что материал, хранящийся в экзоне 6, частично отвечает за полный рост хвоста у гоминид. Изоформы часто являются результатом мутаций, полиморфизма и рекомбинации и, как правило, обладают очень похожими функциями на белки, от которых они происходят. Однако они часто могут иметь некоторые ключевые различия из-за наличия дополнительных инструкций или отсутствия инструкций, характерных для исходного белка. TBXT Δexon6 относится к этой категории, поскольку это изоформа, которой не хватает способности обрабатывать код, необходимый для правильного формирования хвоста в организмах, содержащих TBXT. Это связано с тем, что материал экзона 6, который помогает кодировать формирование хвоста, вырезается из транскрибированной РНК. В результате он фактически отсутствует в изоформе и, таким образом, является ключевым фактором, определяющим название изоформы. Другие распространенные примеры влиятельных изоформ включают в себя те, которые участвуют в AMP-индуцированной протеинкиназе, которая вставляет фосфатные группы в определенные участки клетки в зависимости от субъединицы.

TBXT is a transcription factor observed in vertebrate organisms. As such, it is primarily responsible for the genotype that codes for tail formation due to its observed role in axial development and the construction of posterior mesoderm within the lumbar and sacral regions. Because of the role that the transcription factor plays in spinal development, it is cited as being the protein that is primarily responsible for tail development in mammals. The Alu element that is observed to catalyze taillessness in TBXT is AluY. While normally Alu elements are not individually impactful, the presence of another Alu element active in TBXT, AluSx1, is coded such that its nucleotides are the inverse of AluY’s. Because of this, the two elements are paired together in the replication process, leading up to the formation of a stem loop structure and an alternative splicing event that fundamentally influences transcription. The structure isolates and positions codons held between the two Alu elements in a hairpin esque loop that consequently cannot be paired or transcribed. The trapped material, most notably, includes the 6th exon that codes in TBXT. In a stem loop structure, genetic material trapped within the loop is recognized by transcription coupled nucleotide excision repair (TC NER) proteins as damage due to RNA polymerase being ostensibly stalled at the neck of the loop. This is also how lesions are able to occur at all–the stalled transcription process serves as a beacon for TC NER proteins to ascertain the location of the stem loop. Once TBXT is cleaved, trapped nucleotides–including exon 6–are excised from the completed transcription process by the TC NER mechanisms. Because of the resulting excision of exon 6, information contained within the exon is, too, removed from transcription. Consequently, it is posited that the material stored in exon 6 is, in part, responsible for full hominid tail growth. Isoforms are often a result of mutation, polymorphism, and recombination, and happen to share often highly similar functions to the proteins they derive from. However often they can have some key differences due to either containing added instructions or missing instructions the original protein is known to possess. TBXT Δexon6 falls into this category, as it is an isoform that lacks the ability to process the code that enables proper tail formation in TBXT containing organisms. This is because exon 6's material that helps encode for tail formation is excised from the contents of the transcribed RNA. As a result, it is effectively missing in the isoform, and is thus the key factor in determining the isoform's name. Other common examples of influential isoforms include those involved in AMP induced protein kinase that insert phosphate groups into specific sites of the cell depending on the subunit.

Видообразование

Первое внедрение элемента AluY произошло примерно 20-25 миллионов лет назад, и самым ранним известным предком гоминид, несущим эту мутацию, является семейство гоминоидов. Существует несколько потенциальных причин, объясняющих, почему безхвостость стала стандартным фенотипом у таксонов Hominidae, перевешивая генетически невыгодные последствия утраты хвоста, однако достоверных данных об этом немного. Наличие дополнительной конечности также может означать дополнительную точку захвата для хищников, а также потребление энергии на ее передвижение и занимаемое ею пространство.

Рак

Брахиурия вовлечена в инициацию и/или прогрессирование ряда типов опухолей, включая хордому, опухоли зародышевых клеток, гемангиобластому, ГИСТ, рак легких, мелкоклеточный рак легких, рак молочной железы, рак толстой кишки, гепатоцеллюлярную карциному, рак простаты и плоскоклеточный рак полости рта. При раке молочной железы экспрессия брахиурии ассоциируется с рецидивом, метастазированием и снижением выживаемости. Она также связана с устойчивостью к тамоксифену и цитотоксической химиотерапии, а также к лучевой терапии и ингибиторам EGFR-киназы. Помимо своей роли в распространенных онкологических заболеваниях, брахиурия была идентифицирована как достоверный диагностический маркер, ключевой фактор и терапевтическая мишень при хордоме – редкой злокачественной опухоли, возникающей из остаточных нотокордальных клеток, расположенных в позвонках. Доказательства, подтверждающие роль брахиурии при хордоме, включают:

Брахиурия высоко экспрессируется во всех хордомах, за исключением дедифференцированного подтипа, который составляет менее 5% случаев. Дупликация гена брахиурии в зародышевой линии является причиной семейной хордомы. SNP в зародышевой линии гена брахиурии присутствует у 97% пациентов с хордомой. Соматические амплификации брахиурии наблюдаются в подгруппе спорадических хордом, либо вследствие анеуплоидии, либо фокальной дупликации. Брахиурия является наиболее селективно важным геном при хордоме по сравнению с другими типами рака. Брахиурия связана с крупным суперэнхансером в опухолях хордомы и клеточных линиях и является наиболее высоко экспрессируемым транскрипционным фактором, связанным с суперэнхансером, наряду со Snail. Повышенная экспрессия брахиурии связана с гепатоцеллюлярной карциномой (ГЦК, также называемой злокачественной гепатомой) – распространенным типом рака печени. В то время как брахиурия способствует развитию ЭМТ, она также может индуцировать метастазирование клеток ГЦК. Экспрессия брахиурии является прогностическим биомаркером для ГЦК, и этот ген может стать мишенью для лечения рака в будущем. Это может привести к увеличению риска заболеваний, связанных с их функциональностью или инфраструктурой, таких как нейрогенная дисфункция мочевого пузыря или гидроцефалия.

Другие болезни

Чрезмерная экспрессия брахиурии может играть роль в эпителиально-мезенхимальном переходе, связанном с доброкачественными заболеваниями, такими как фиброз почек.

Роль терапевтической мишени

Поскольку брахиурия экспрессируется в опухолях, но отсутствует в нормальных тканях взрослого организма, она рассматривается как потенциальная лекарственная мишень, применимость которой охватывает различные типы опухолей. В частности, специфические пептиды брахиурии представлены на HLA-рецепторах клеток, где она экспрессируется, что делает их опухолеспецифическим антигеном. Разработано несколько терапевтических вакцин, предназначенных для стимуляции иммунного ответа против клеток, экспрессирующих брахиурию.