Введение

Последовательность ДНК, к которой связываются активаторы для повышения вероятности транскрипции гена. В генетике усилитель (enhancer) – это короткий (50–1500 п.н.) участок ДНК, к которому могут присоединяться белки (активаторы), увеличивая вероятность транскрипции определенного гена. В геноме человека насчитываются сотни тысяч усилителей. Они встречаются как у прокариот, так и у эукариот. Первое обнаружение эукариотического усилителя произошло в 1983 году в гене тяжелой цепи иммуноглобулина. Этот усилитель, расположенный в крупном интроне, объяснил транскрипционную активацию рекомбинированных промоторов гена Vh, в то время как нерекомбинированные промоторы Vh оставались неактивными. В последнее время было показано, что усилители вовлечены в развитие определенных заболеваний, например, миелосупрессии. С 2022 года ученые используют искусственный интеллект для создания синтетических усилителей и применяют их в животных моделях, сначала в клеточных линиях, а год спустя – in vivo.

Локации

В эукариотических клетках структура хроматинового комплекса ДНК организована таким образом, что функционально имитирует суперспирализованное состояние, характерное для прокариотической ДНК. Поэтому, хотя усиливающая ДНК может быть линейно удалена от гена, она пространственно близка к промотору и гену. Это позволяет ей взаимодействовать с общими факторами транскрипции и РНК-полимеразой II. Тот же механизм применим и к сайленсерам в геноме эукариот. Сайленсеры являются антагонистами усилителей, которые, при связывании со своими специфическими факторами транскрипции, называемыми репрессорами, подавляют транскрипцию гена. Сайленсеры и усилители могут находиться в непосредственной близости друг от друга или даже в одной и той же области, различающейся лишь фактором транскрипции, с которым эта область связывается. Усилитель может располагаться выше или ниже по течению от регулируемого гена. Более того, усилителю не обязательно находиться рядом с сайтом инициации транскрипции, чтобы влиять на транскрипцию; некоторые из них были обнаружены на расстоянии в несколько сотен тысяч пар оснований выше или ниже по течению от стартовой точки. Усилители не действуют непосредственно на промоторную область, но связываются с активаторными белками, как было впервые показано в экспериментах in vivo по конкуренции. Последующие молекулярные исследования продемонстрировали прямое взаимодействие с факторами транскрипции и кофакторами, включая медиаторный комплекс, который рекрутирует полимеразу II и общие факторы транскрипции, запускающие транскрипцию генов. Усилители также могут находиться внутри интронов. Ориентация усилителя может быть даже обращена, не влияя на его функцию; кроме того, усилитель может быть вырезан и вставлен в другое место в хромосоме, сохраняя при этом способность влиять на транскрипцию генов. Это одна из причин, по которой полиморфизмы интронов могут оказывать эффект, несмотря на то, что они не транслируются. Усилители могут также располагаться в экзонной области неродственного гена и воздействовать на гены на другой хромосоме. Усилители связываются с p300/CBP, и их местоположение можно предсказать с помощью ChIP-seq по отношению к этому семейству коактиваторов.

Роль в экспрессии генов

Экспрессия генов у млекопитающих регулируется множеством цис-регуляторных элементов, включая основные промоторы и промоторные проксимальные элементы, расположенные вблизи сайтов начала транскрипции генов. Основных промоторов достаточно для инициирования транскрипции, но они обычно обладают низкой базальной активностью. Другие важные цис-регуляторные модули локализованы в областях ДНК, удаленных от сайтов начала транскрипции. К ним относятся энхансеры, сайленсеры, изоляторы и элементы связывания. Среди этого набора элементов энхансеры и связанные с ними факторы транскрипции играют ведущую роль в регуляции экспрессии генов. Энхансер, расположенный в области ДНК, удаленной от промотора гена, может оказывать очень сильное влияние на экспрессию гена, при этом у некоторых генов экспрессия может увеличиваться до 100 раз при активации энхансера. Энхансеры – это области генома, являющиеся основными регуляторными элементами генов. Энхансеры контролируют специфичные для типа клетки программы экспрессии генов, чаще всего, образуя петли на больших расстояниях, чтобы оказаться в физической близости с промоторами своих целевых генов. Несмотря на то, что существует несколько сотен тысяч областей ДНК-энхансеров, несколько специфичных для функции клетки факторов транскрипции (в клетке человека насчитывается около 1600 факторов транскрипции) обычно связываются с определенными мотивами на энхансере, и небольшая комбинация этих факторов транскрипции, связанных с энхансером, при приближении к промотору посредством петли ДНК, регулирует уровень транскрипции целевого гена. Медиатор (комплекс, обычно состоящий примерно из 26 белков, образующих взаимодействующую структуру) передает регуляторные сигналы от факторов транскрипции, связанных с энхансерной ДНК, непосредственно ферменту РНК-полимеразы II (pol II), связанному с промотором. Активные энхансеры обычно транскрибируются с обеих нитей ДНК с помощью РНК-полимераз, действующих в двух разных направлениях, производя две энхансерные РНК (eRNA), как показано на рисунке. Как и мРНК, эти eRNA обычно защищены 5'-кэпом. Неактивный энхансер может быть связан с неактивным фактором транскрипции. Фосфорилирование фактора транскрипции может активировать его, а активированный фактор транскрипции может затем активировать энхансер, к которому он привязан (см. маленькую красную звезду, обозначающую фосфорилирование фактора транскрипции, связанного с энхансером, на иллюстрации). Активированный энхансер начинает транскрипцию своей РНК до активации транскрипции мРНК из своего целевого гена.

HACNS1

HACNS1 (также известный как CENTG2 и расположенный в области генома человека с ускоренной эволюцией 2) — это генный усилитель, "который мог внести вклад в эволюцию уникальной способности человеческого большого пальца к противопоставлению, а также, возможно, в изменения в лодыжке или стопе, позволяющие человеку ходить на двух ногах". Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что из 110 000 последовательностей генных усилителей, идентифицированных в геноме человека, HACNS1 претерпел наибольшие изменения в ходе эволюции человека после отделения от предков шимпанзе.

GADD45G

Было описано усиление экспрессии гена GADD45g, которое может регулировать рост мозга у шимпанзе и других млекопитающих, но не у людей. Регулятор GADD45G у мышей и шимпанзе активен в областях мозга, где расположены клетки, формирующие кору, вентральный передний мозг и таламус, и может подавлять дальнейший нейрогенез. Отсутствие усиления экспрессии GADD45G у человека может способствовать увеличению определенных популяций нейронов и расширению переднего мозга у человека.

В биологии развития

Развитие, дифференциация и рост клеток и тканей требуют точно регулируемых паттернов экспрессии генов. Энхансеры функционируют как цис-регуляторные элементы, обеспечивая пространственный и временной контроль развития за счет активации транскрипции в определенных клетках и/или ее подавления в других. Таким образом, специфическая комбинация факторов транскрипции и других белков, связывающихся с ДНК, в развивающейся ткани определяет, какие гены будут экспрессироваться в этой ткани. Энхансеры позволяют одному и тому же гену участвовать в разнообразных процессах в пространстве и времени.

Определение и характеристика

Традиционно усилители идентифицировали методами ловушки усилителя с использованием гена-репортера или сравнительного анализа последовательности и вычислительной геномики. В генетически доступных моделях, таких как плодовая мушка Drosophila melanogaster, например, репортерная конструкция, такая как ген lacZ, может быть случайным образом интегрирована в геном с использованием транспозона P-элемента. Если репортерный ген интегрируется вблизи усилителя, его экспрессия будет отражать паттерн экспрессии, определяемый этим усилителем. Таким образом, окрашивание мух для выявления экспрессии или активности LacZ и клонирование последовательности, окружающей место интеграции, позволяет идентифицировать последовательность усилителя. Однако развитие геномных и эпигеномных технологий кардинально изменило перспективы открытия цис-регуляторных модулей (CRM). Методы секвенирования нового поколения (NGS) теперь позволяют проводить высокопроизводительные функциональные анализы для обнаружения CRM, а значительно увеличивающееся количество доступных данных, включая крупномасштабные библиотеки мотивов связывания факторов транскрипции (TFBS), коллекции аннотированных и валидированных CRM, а также обширные эпигенетические данные по многим типам клеток, делают точное вычислительное обнаружение CRM достижимой целью. Примером подхода на основе NGS, называемого DNase-seq, стало определение областей, обедненных нуклеосомами, или открытых областей хроматина, которые могут содержать CRM. В последнее время были разработаны такие методы, как ATAC-seq, которые требуют меньшего количества исходного материала. Области, обедненные нуклеосомами, можно идентифицировать in vivo посредством экспрессии Dam-метилазы, что обеспечивает больший контроль над идентификацией специфичных для типа клеток усилителей. Вычислительные методы включают сравнительную геномику, кластеризацию известных или предсказанных сайтов связывания TF и методы контролируемого машинного обучения, обученные на известных CRM. Все эти методы оказались эффективными для обнаружения CRM, но каждый из них имеет свои особенности и ограничения и подвержен большему или меньшему количеству ложноположительных идентификаций. В подходе сравнительной геномики консервация последовательности некодирующих областей может указывать на наличие усилителей. Последовательности из нескольких видов выравниваются, и консервативные области идентифицируются вычислительно. Идентифицированные последовательности затем могут быть присоединены к гену-репортеру, такому как зеленый флуоресцентный белок или lacZ, для определения in vivo паттерна экспрессии гена, индуцированного усилителем при инъекции в эмбрион. Экспрессию репортерской мРНК можно визуализировать с помощью in situ гибридизации, которая обеспечивает более прямую меру активности усилителя, поскольку она не подвержена сложностям трансляции и фолдинга белка. Хотя многие данные указывают на консервацию последовательности для критически важных регуляторных усилителей развития, другие исследования показали, что функция усилителей может сохраняться при минимальной или отсутствующей консервации первичной последовательности. Например, усилители RET у человека имеют очень мало консервации последовательности по сравнению с таковыми у рыбок-зебр, однако последовательности обоих видов производят почти идентичные паттерны экспрессии гена-репортера у рыбок-зебр.

В сегментации насекомых

Усилители, определяющие раннюю сегментацию эмбрионов *Drosophila melanogaster*, являются одними из наиболее хорошо изученных регуляторных элементов развития. В ранних эмбрионах мухи факторы транскрипции генов-разрывов отвечают за активацию и репрессию ряда генов сегментации, таких как гены парных правил. Гены-разрывы экспрессируются блоками вдоль передне-задней оси мухи вместе с другими материнскими факторами транскрипции, формируя таким образом зоны, в которых экспрессируются различные комбинации факторов транскрипции. Гены парных правил разделены друг от друга не экспрессирующими клетками. Более того, полосы экспрессии различных генов парных правил сдвинуты относительно друг друга на несколько клеточных диаметров. Таким образом, уникальные комбинации экспрессии генов парных правил создают пространственные домены вдоль передне-задней оси, определяя каждый из 14 отдельных сегментов. Хорошо изучен усилитель длиной 480 п.н., ответственный за экспрессию четкой полосы 2 гена парных правил *even-skipped* (*eve*). Этот усилитель содержит 12 различных сайтов связывания для материнских и факторов транскрипции генов-разрывов. Активирующие и репрессивные сайты перекрываются по последовательности. *Eve* экспрессируется только в узкой полосе клеток, содержащих высокую концентрацию активаторов и низкую концентрацию репрессоров для данной последовательности усилителя. Другие регуляторные области стимулируют экспрессию *eve* в 6 других полосах эмбриона.

В узорах позвоночных

Установление осей тела — критически важный этап в развитии животных. Во время эмбрионального развития мыши Нодаль, лиганд семейства трансформирующих факторов роста бета, является ключевым геном, участвующим в формировании как передне-задней, так и лево-правой оси раннего эмбриона. Ген Нодаль содержит два энхансера: проксимальный энхансер эпибласта (PEE) и асимметричный энхансер (ASE). PEE расположен выше гена Нодаль по направлению потока экспрессии и активирует экспрессию Нодаля в части примитивной полоски, которая дифференцируется в узел (также называемый примитивным узлом). PEE включает экспрессию Нодаля в ответ на комбинацию Wnt-сигналинга и второго, неизвестного сигнала; таким образом, член семейства транскрипционных факторов LEF/TCF, вероятно, связывается с TCF-связывающим участком в клетках узла. Диффузия Нодаля от узла формирует градиент, который затем определяет формирующуюся передне-заднюю ось эмбриона. ASE — это интронный энхансер, к которому связывается транскрипционный фактор семейства forkhead Fox1. На ранних стадиях развития экспрессия Нодаля, индуцированная Fox1, формирует висцеральную эндодерму. Позднее в развитии связывание Fox1 с ASE активирует экспрессию Нодаля на левой стороне мезодермы боковой пластинки, тем самым устанавливая лево-правовую асимметрию, необходимую для асимметричного развития органов в мезодерме. Установление трех зародышевых листков во время гаструляции — еще один критически важный этап в развитии животных. Каждый из трех зародышевых листков имеет уникальные паттерны экспрессии генов, которые способствуют их дифференцировке и развитию. Эндодерма специфицируется на ранних стадиях развития экспрессией Gata4, а Gata4 впоследствии направляет морфогенез кишечника. Экспрессия Gata4 контролируется в раннем эмбрионе интронным энхансером, к которому связывается другой транскрипционный фактор семейства forkhead, FoxA2. Изначально энхансер активирует широкую экспрессию гена во всем эмбрионе, но экспрессия быстро ограничивается эндодермой, что позволяет предположить участие других репрессоров в ее ограничении. На поздних стадиях развития тот же энхансер ограничивает экспрессию в тканях, которые станут желудком и поджелудочной железой. Дополнительный энхансер отвечает за поддержание экспрессии Gata4 в эндодерме на промежуточных стадиях развития кишечника.

Многочисленные усилители способствуют устойчивости развития

Некоторые гены, участвующие в критических процессах развития, содержат несколько энхансеров с перекрывающимися функциями. Вторичные энхансеры, или "теневые энхансеры", могут находиться на расстоянии многих килобаз от первичного энхансера ("первичным" обычно называют первый обнаруженный энхансер, который часто расположен ближе к регулируемому гену). Каждый энхансер по отдельности запускает почти идентичные паттерны экспрессии гена. Действительно ли эти два энхансера избыточны? Недавние исследования показали, что наличие нескольких энхансеров позволяет плодовой мушке выживать при изменениях в окружающей среде, например, при повышении температуры. При выращивании при повышенной температуре, один энхансер иногда не обеспечивает полную картину экспрессии, в то время как присутствие обоих энхансеров позволяет поддерживать нормальную экспрессию гена.

Эволюция механизмов развития

Одной из тем исследований в эволюционной биологии развития ("эво дево") является изучение роли энхансеров и других цис-регуляторных элементов в возникновении морфологических изменений посредством различий в развитии между видами.

Питч-бак

Недавние исследования изучили роль энхансеров в морфологических изменениях у трехколючек. Трехколючки обитают как в морской, так и в пресноводной среде, но у многих пресноводных популяций полностью утрачены тазовые плавники (придатки, гомологичные задним конечностям четвероногих). Pitx1 – ген гомеобоксного типа, участвующий в развитии задних конечностей у позвоночных. Предварительные генетические анализы показали, что изменения в экспрессии этого гена ответственны за редукцию тазовых плавников у трехколючек. Рыбы, экспрессирующие только пресноводный аллель Pitx1, не имеют тазовых шипов, в то время как рыбы, экспрессирующие морской аллель, сохраняют тазовые шипы. Более детальная характеристика показала, что последовательность энхансера длиной 500 пар оснований отвечает за активацию экспрессии Pitx1 в заднем плавнике. Этот энхансер расположен вблизи хромосомного хрупкого участка – последовательности ДНК, склонной к разрывам и, следовательно, более подверженной мутациям в результате неточного восстановления ДНК. Этот хрупкий участок привел к многократным, независимым потерям энхансера, ответственного за активацию экспрессии Pitx1 в тазовых плавниках в изолированных пресноводных популяциях, и без этого энхансера пресноводные рыбы не развивают тазовые плавники.

Эволюция узора крыльев дрозофилы

Образцы пигментации предоставляют одно из наиболее заметных и легко регистрируемых различий между разными видами животных. Пигментация крыльев дрозофилы оказалась особенно удобной системой для изучения развития сложных фенотипов пигментации. Крыло Drosophila guttifera имеет 12 темных пигментных пятен и 4 более светлых серых межжилковых участка. Пигментные пятна возникают в результате экспрессии желтого гена, продукт которого производит черный меланин. Недавние исследования показали, что два энхансера в желтом гене обеспечивают экспрессию гена именно в этой схеме: энхансер жилковых пятен стимулирует экспрессию гена-репортера в 12 пятнах, а энхансер межжилкового оттенка – в 4 отдельных участках. Эти два энхансера чувствительны к Wnt-сигнальному пути, который активируется экспрессией безкрылья во всех пигментированных областях. Таким образом, в ходе эволюции сложного фенотипа пигментации желтый пигментный ген приобрел энхансеры, чувствительные к сигналу безкрылья, а экспрессия безкрылья эволюционировала в новых локациях, создавая новые рисунки крыльев.

При воспалении и раке

Каждая клетка обычно содержит несколько сотен специальных классов усилителей, которые простираются на многие килобазы длинных последовательностей ДНК, называемых "супер-усилителями". Эти усилители содержат большое количество сайтов связывания для специфичных к последовательности, индуцируемых факторов транскрипции и регулируют экспрессию генов, участвующих в дифференцировке клеток. Во время воспаления фактор транскрипции NF κB облегчает ремоделирование хроматина, избирательно перераспределяя кофакторы из усилителей с высокой степенью занятости, тем самым подавляя гены, участвующие в поддержании клеточной идентичности, экспрессию которых они усиливают. Одновременно, это ремоделирование и перераспределение, вызванное NF κB, активирует другие усилители, которые направляют изменения в клеточной функции в процессе воспаления. В результате воспаление перепрограммирует клетки, изменяя их взаимодействие с остальной тканью и иммунной системой. При раке белки, контролирующие активность NF κB, дисрегулированы, что позволяет злокачественным клеткам снизить зависимость от взаимодействия с окружающей тканью и затрудняет их обнаружение иммунной системой.

Проектирование усилителей в синтетической биологии

Синтетические регуляторные элементы, такие как энхансеры, обещают стать мощным инструментом для направленной доставки продуктов генов в определенные типы клеток с целью лечения заболеваний путем активации полезных генов или подавления аномальных состояний клеток. С 2022 года применение искусственного интеллекта и стратегий трансферного обучения позволило глубже понять характеристики регуляторных последовательностей ДНК, а также улучшить прогнозирование и разработку синтетических энхансеров. На основе исследований в клеточной культуре, синтетические энхансеры были успешно применены в целых живых организмах в 2023 году. Используя глубокие нейронные сети, ученые смоделировали эволюцию последовательностей ДНК для анализа возникновения признаков, лежащих в основе функции энхансеров. Это позволило разработать и создать ряд функционирующих синтетических энхансеров для различных типов клеток мозга плодовой мухи. Другой подход заключался в обучении моделей искусственного интеллекта на данных о доступности ДНК в отдельных клетках и переносе полученных моделей для прогнозирования энхансеров для выбранных тканей в эмбрионе плодовой мухи. Эти модели прогнозирования энхансеров были использованы для разработки синтетических энхансеров для нервной системы, мозга, мышц, эпидермиса и кишечника.