Изолятор представляет собой тип цис-регуляторных элементы , известные как дальний регулирующий элемент . Найдено в многоклеточных эукариот и работает на расстояниях от промотора элемента гена - мишени, изолятор , как правило , 300 пар оснований до 2000 пар оснований в длину. [1] Изоляторы содержат кластерные сайты связывания для последовательности специфических ДНК-связывающих белков [1] и опосредует внутри- и меж- хромосомных взаимодействий. [2]
Изоляторы действуют либо как энхансер- блокатор, либо как барьер, либо как оба. Механизмы, с помощью которых инсулятор выполняет эти две функции, включают образование петель и модификации нуклеосом . [3] [4] Существует множество примеров инсуляторов, включая инсулятор CTCF , цыганский изолятор и β-глобиновый локус. Изолятор CTCF особенно важен для позвоночных , в то время как изолятор gypsy участвует в Drosophila . Локус β-глобина сначала был изучен на курице, а затем на людях на предмет его инсуляторной активности, оба из которых используют CTCF. [5]
Генетические последствия инсуляторов заключаются в их участии в механизме импринтинга и их способности регулировать транскрипцию . Мутации инсуляторов связаны с раком в результате нарушения регуляции клеточного цикла , образования опухолей и подавления подавителей роста.
Функция
Изоляторы выполняют две основные функции: [3] [4]
- Инсуляторы, блокирующие энхансер, предотвращают действие дистальных энхансеров на промотор соседних генов.
- Барьерные инсуляторы предотвращают подавление эухроматина за счет распространения соседнего гетерохроматина.
В то время как блокирование энхансеров классифицируется как межхромосомное взаимодействие, действие барьера классифицируется как внутрихромосомное взаимодействие. Потребность в инсуляторах возникает там, где два соседних гена на хромосоме имеют очень разные паттерны транскрипции ; очень важно, чтобы механизмы индукции или репрессии одного из них не мешали работе соседнего гена. [6] Также было обнаружено, что инсуляторы группируются на границах топологически ассоциированных доменов (TAD) и могут играть роль в разделении генома на «хромосомные окрестности» - геномные области, внутри которых происходит регуляция. [7] [8]
Некоторые изоляторы могут действовать как блокаторы энхансеров и барьеры, а некоторые выполняют только одну из двух функций. [3] Вот несколько примеров различных изоляторов: [3]
- Изоляторы Drosophila melanogaster gypsy и scs scs являются инсуляторами, блокирующими энхансер
- Gallus gallus имеет инсуляторы, Lys 5 'A, которые обладают как энхансер-блокирующей, так и барьерной активностью, а также HS4, который обладает только энхансер-блокирующей активностью.
- Изоляторы Saccharomyces cerevisiae STAR и UAS rpg являются барьерными изоляторами.
- Homo Sapiens HS5 изолятор действует как энхансер-блокатор
Механизм действия
Изоляторы, блокирующие усилители
Аналогичный механизм действия для инсуляторов, блокирующих энхансер; Домены петли хроматина образуются в ядре, которое разделяет энхансер и промотор целевого гена. Петлевые домены образуются посредством взаимодействия между элементами, блокирующими энхансер, взаимодействующими друг с другом или прикрепляющими волокно хроматина к структурным элементам в ядре . [4] Действие этих инсуляторов зависит от их расположения между промотором целевого гена и энхансером выше или ниже по течению. Конкретный способ, которым инсуляторы блокируют энхансеры, зависит от механизма действия энхансеров. Энхансеры могут напрямую взаимодействовать со своими целевыми промоторами посредством образования петель [9] (модель прямого контакта), и в этом случае инсулятор предотвращает это взаимодействие за счет образования петлевого домена, который разделяет сайты энхансера и промотора и предотвращает разрыв петли промотор-энхансер формирование. [4] Энхансер также может воздействовать на промотор посредством сигнала (модель отслеживания действия энхансера). Этот сигнал может быть заблокирован инсулятором за счет нацеливания на нуклеопротеидный комплекс в основании образования петли. [4]
Изоляторы барьерные
Барьерная активность была связана с нарушением специфических процессов в пути образования гетерохроматина. Эти типы инсуляторов модифицируют нуклеосомный субстрат в реакционном цикле, который играет центральную роль в образовании гетерохроматина. [4] Модификации достигаются с помощью различных механизмов, включая удаление нуклеосом , при котором исключающие нуклеосомы элементы нарушают распространение гетерохроматина и молчание (опосредованное хроматином молчание). Модификация также может быть осуществлена путем привлечения гистонацетилтрансферазы (ей) и АТФ-зависимых комплексов ремоделирования нуклеосом. [4]
CTCF изолятор
CTCF изолятор , как представляется, энхансер блокирующей активности через его 3D - структуру [10] и не имеет прямую связи с барьерной активностью. [11] Позвоночные, в частности, по-видимому, в значительной степени полагаются на инсулятор CTCF, однако идентифицировано много различных инсуляторных последовательностей. [2] Изолированные окрестности, образованные физическим взаимодействием между двумя локусами ДНК, связанными с CTCF, содержат взаимодействия между энхансерами и их генами-мишенями. [12]
Регулирование
Одним из механизмов регуляции CTCF является метилирование его последовательности ДНК . Известно, что белок CTCF благоприятно связывается с неметилированными сайтами, поэтому следует, что метилирование CpG-островков является точкой эпигенетической регуляции . [2] Примером этого является импринтированный локус Igf2-H19, где метилирование отцовской импринтированной контрольной области (ICR) предотвращает связывание CTCF. [13] Второй механизм регуляции - это регуляция белков, которые необходимы для полноценного функционирования инсуляторов CTCF. Эти белки включают, но не ограничиваются ими, когезин , РНК-полимеразу и CP190. [2] [14]
цыганский изолятор
Изолирующий элемент, обнаруженный в ретротранспозоне gypsy Drosophila, является одной из нескольких последовательностей, которые были подробно изучены. Цыганская изолятор может быть найдена в 5' - нетранслируемой области (UTR) от ретротранспозона элемента. Gypsy влияет на экспрессию соседних генов, ожидающих встраивания в новое место генома , вызывая мутантные фенотипы, которые являются тканеспецифичными и присутствуют на определенных стадиях развития. Инсулятор, вероятно, оказывает ингибирующее действие на энхансеры, которые контролируют пространственную и временную экспрессию пораженного гена. [15]
β-глобиновый локус
Первые примеры инсуляторов у позвоночных были обнаружены в курином β-глобиновом локусе cHS4 . cHS4 отмечает границу между активным эухроматином в β-глобиновом локусе и расположенной выше гетерохроматиновой областью, которая является высококонденсированной и неактивной. Чс4 изолятор действует как барьер для хроматина опосредованных глушителей через гетерохроматин расширение спектра, и блокирует взаимодействие между усилителями и промоторами. Отличительной особенностью cHS4 является то, что он имеет повторяющуюся гетерохроматическую область на 5'-конце. [5]
Гомологом человеческого β-глобинового локуса cHS4 является HS5 . В отличие от куриного β-глобинового локуса, человеческий β-глобиновый локус имеет открытую структуру хроматина и не фланкирован 5'-гетерохроматической областью. Считается, что HS5 является генетическим инсулятором in vivo, поскольку он обладает активностью по блокированию энхансеров и барьерным действием для трансгена. [5]
CTCF впервые был охарактеризован за его роль в регуляции экспрессии гена β-глобина. В этом локусе CTCF функционирует как связывающий инсулятор белок, образующий хромосомную границу. [13] CTCF присутствует как в курином β-глобиновом локусе, так и в человеческом β-глобиновом локусе. Внутри cHS4 куриного β-глобинового локуса CTCF связывается с областью (FII), которая отвечает за активность блокирования энхансера. [5]
Генетические последствия
Печать
Способность энхансеров активировать импринтированные гены зависит от присутствия инсулятора на неметилированном аллеле между двумя генами. Примером этого является импринтированный локус Igf2-H19 . В этом локусе белок CTCF регулирует импринтированную экспрессию путем связывания с неметилированной материнской импринтированной контрольной областью (ICR), но не с отцовской ICR. Когда связан с неметилированной материнской последовательности, CTCF эффективно блокирует энхансер элементы из взаимодействующих с Igf2 промотора гена, оставив только H19 ген быть выражены . [13]
Транскрипция
Было высказано предположение, что когда инсуляторные последовательности расположены в непосредственной близости от промотора гена, они могут служить для стабилизации взаимодействий энхансер-промотор. Когда они расположены дальше от промотора, элементы инсулятора будут конкурировать с энхансером и мешать активации транскрипции . [3] Образование петель является обычным явлением у эукариот, чтобы сблизить дистальные элементы (энхансеры, промоторы, области контроля локуса ) для взаимодействия во время транскрипции. [4] Механизм инсуляторов, блокирующих энхансер, тогда, если он находится в правильном положении, может играть роль в регуляции активации транскрипции. [3]
Мутации и рак
Инсуляторы CTCF влияют на экспрессию генов, участвующих в процессах регуляции клеточного цикла , которые важны для роста клеток, дифференцировки клеток и запрограммированной гибели клеток ( апоптоза ). Два из этих генов регуляции клеточного цикла, которые, как известно, взаимодействуют с CTCF, - это hTERT и C-MYC. В этих случаях мутация потери функции гена инсулятора CTCF изменяет паттерны экспрессии и может повлиять на взаимодействие между ростом, дифференцировкой и апоптозом клеток и привести к онкогенезу или другим проблемам. [2]
CTCF также необходим для экспрессии гена репрессора опухолей ретинобластомы (Rb), а мутации и делеции этого гена связаны с наследственными злокачественными новообразованиями . Когда сайт связывания CTCF удаляется, экспрессия Rb снижается, и опухоли могут развиваться. [2]
Другие гены, кодирующие регуляторы клеточного цикла, включают BRCA1 и p53 , которые являются супрессорами роста, которые подавляются при многих типах рака и экспрессия которых контролируется CTCF. Утрата функции CTCF в этих генах приводит к подавлению подавления роста и способствует образованию рака. [2]
Рекомендации
- ^ a b Эллисон, Лизабет А. (2012). Фундаментальная молекулярная биология . Нью-Джерси: John Wiley & Sons, Inc., стр. 300–301. ISBN 9781118059814.
- ^ Б с д е е г Ян, Цзинпин; Корсес, Виктор Г. (2011). «Хроматиновые инсуляторы: роль в ядерной организации и экспрессии генов» . Достижения в исследованиях рака . 110 : 43–76. DOI : 10.1016 / B978-0-12-386469-7.00003-7 . ISBN 9780123864697. ISSN 0065-230X . PMC 3175007 . PMID 21704228 .
- ^ а б в г д е West, Adam G .; Гасзнер, Миклош; Фельзенфельд, Гэри (01.02.2002). «Изоляторы: много функций, много механизмов» . Гены и развитие . 16 (3): 271–288. DOI : 10,1101 / gad.954702 . ISSN 0890-9369 . PMID 11825869 .
- ^ Б с д е е г ч Гасзнер, Миклош; Фельзенфельд, Гэри (сентябрь 2006 г.). «Инсуляторы: использование транскрипционных и эпигенетических механизмов» . Природа Обзоры Генетики . 7 (9): 703–713. DOI : 10.1038 / nrg1925 . ISSN 1471-0064 . PMID 16909129 . S2CID 31291034 .
- ^ а б в г Вай, Альберт В.К .; Гиллеманс, Нинке; Рагуз-Болоньези, Селина; Пружина, Сара; Зафарана, Гаэтано; Meijer, Dies; Филипсен, Сяак; Гросвельд, Франк (2003-09-01). «HS5 области контроля человеческого β-глобинового локуса: граница, специфичная для стадии развития в эритроидных клетках» . Журнал EMBO . 22 (17): 4489–4500. DOI : 10,1093 / emboj / cdg437 . ISSN 0261-4189 . PMC 202379 . PMID 12941700 .
- ^ Берджесс-Бёсс Б., Фаррелл С., Гасзнер М., Литт М., Муцков В., Ресиллас-Тарга Ф., Симпсон М., Вест А., Фельзенфельд Г. (декабрь 2002 г.). «Изоляция генов от внешних усилителей и подавление хроматина» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 99 Дополнение 4: 16433–7. DOI : 10.1073 / pnas.162342499 . PMC 139905 . PMID 12154228 .
- ^ Перкель Дж. (1 июня 2015 г.). «Картирование хромосомных окрестностей» . Биотехнологии . 58 (6): 280–284. DOI : 10.2144 / 000114296 . PMID 26054763 .
- ^ Онг CT, Corces VG (апрель 2014 г.). «CTCF: архитектурный белок, связывающий топологию и функцию генома» . Nat Rev Genet . 15 (4): 234–46. DOI : 10.1038 / nrg3663 . PMC 4610363 . PMID 24614316 .CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
- ^ Дэн, Вт; Ли, Дж; Wang, H; Миллер, Дж; Рейк, А; Грегори, PD; Дин, А; Блобель, Г.А. (2012). «Управление дальнодействующими геномными взаимодействиями в нативном локусе с помощью целевого связывания фактора петлеобразования» . Cell . 149 (6): 1233–44. DOI : 10.1016 / j.cell.2012.03.051 . PMC 3372860 . PMID 22682246 .
- ^ Филлипс Дж. Э., Корсес В. Г. (июнь 2009 г.). «CTCF: мастер-ткач генома» . Cell . 137 (7): 1194–211. DOI : 10.1016 / j.cell.2009.06.001 . PMC 3040116 . PMID 19563753 .
- ^ Филлипс, Дженнифер Э .; Корсес, Виктор Г. (26.06.2009). «CTCF: Мастер-Ткач Генома» . Cell . 137 (7): 1194–1211. DOI : 10.1016 / j.cell.2009.06.001 . ISSN 0092-8674 . PMC 3040116 . PMID 19563753 .
- ^ Dowen, JM; Вентилятор, ЗП; Hnisz, D; Ren, G; Abraham, BJ; Zhang, LN; Weintraub, AS; Schuijers, J; Ли, Т.И.; Чжао, К; Янг, РА (9 октября 2014 г.). «Контроль генов клеточной идентичности происходит в изолированных окрестностях хромосом млекопитающих» . Cell . 159 (2): 374–87. DOI : 10.1016 / j.cell.2014.09.030 . PMC 4197132 . PMID 25303531 .
- ^ а б в Эллисон, Лизабет А. (2012). Фундаментальная молекулярная биология . Нью-Джерси: John Wiley & Sons, Inc., стр. 367. ISBN. 9781118059814.
- ^ Ким, Соми; Ю, Нам-Кён; Каанг, Бонг-Киун (июнь 2015 г.). «CTCF как многофункциональный белок в регуляции генома и экспрессии генов» . Экспериментальная и молекулярная медицина . 47 (6): e166. DOI : 10.1038 / emm.2015.33 . ISSN 2092-6413 . PMC 4491725 . PMID 26045254 .
- ^ Gdula, David A .; Герасимова, Татьяна И .; Корсес, Виктор Г. (1996). «Генетический и молекулярный анализ цыганского изолятора хроматина дрозофилы» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 93 (18): 9378–9383. DOI : 10.1073 / pnas.93.18.9378 . JSTOR 39717 . PMC 38435 . PMID 8790337 .
Внешние ссылки
- СМИ, связанные с Insulator (генетикой) на Викискладе?