Izolátor (genetika) - Insulator (genetics)

Elektrický izolátor viz Izolátor (elektřina).
Pro další použití viz Izolace (disambiguation).

An izolátor je typ cis-regulační prvek známý jako dalekonosný regulační prvek. Nalezen v mnohobuňečný eukaryoty a pracovat na vzdálenosti od promotér prvek cílového genu, izolátor je obvykle 300 bp na délku 2000 bp.[1] Izolátory obsahují shluky vazebná místa pro sekvenci specifické Proteiny vázající DNA[1] a zprostředkovávají intra- a inter-chromozomální interakce.[2]

Izolátory fungují buď jako zesilovač -blokátor nebo bariéra, nebo obojí. Mezi mechanismy, kterými izolátor provádí tyto dvě funkce, patří tvorba smyčky a nukleosom modifikace.[3][4] Existuje mnoho příkladů izolátorů, včetně CTCF izolátor, cikán izolátor a β-globin místo. Izolátor CTCF je zvláště důležitý v obratlovců, zatímco cikán izolátor je zapojen do Drosophila. Lokalita β-globinu byla nejprve studována u kuřat a poté u lidí kvůli své izolační aktivitě, přičemž oba využívají CTCF.[5]

Genetické důsledky izolátorů spočívají v jejich zapojení do mechanismu potisk a jejich schopnost regulovat transkripce. Mutace na izolátory jsou spojeny s rakovina jako výsledek buněčný cyklus neregulace tumourigenesis a umlčení potlačujících růst.

Funkce

Izolátory mají dvě hlavní funkce:[3][4]

  1. Izolátory blokující zesilovače zabraňují distálnímu zesilovače z působení na promotor sousedních genů
  2. Bariérové ​​izolátory zabraňují umlčení euchromatin šířením sousedních heterochromatin

Zatímco blokování zesilovače je klasifikováno jako interchromozomální interakce, působení jako bariéra je klasifikováno jako intrachromozomální interakce. Potřeba izolátorů vzniká tam, kde dva sousedí geny na chromozóm mají velmi odlišné transkripce vzory; je zásadní, aby indukční nebo represivní mechanismy jednoho neinterferovaly se sousedním genem.[6] Bylo také zjištěno, že se izolátory shlukují na hranici topologicky přidružit domény (TAD) a mohou hrát roli v rozdělení genomu do „chromozomových sousedství“ - genomových oblastí, ve kterých dochází k regulaci.[7][8]

Některé izolátory mohou působit jako blokátory zesílení a bariéry a některé mají pouze jednu ze dvou funkcí.[3] Některé příklady různých izolátorů jsou:[3]

  • Drosophila melanogaster izolátory cikán a scs scs jsou oba izolátory blokující zesilovače
  • Gallus gallus mít izolátory, Lys 5 'A které mají jak blokující zesilovač, tak bariérovou aktivitu, stejně jako HS4 které mají pouze aktivitu blokující zesilovač
  • Saccharomyces cerevisiae izolátory STAR a UASRPG jsou oba bariérové ​​izolátory
  • Homo sapiens HS5 izolátor funguje jako blokátor zesilovače

Mechanismus účinku

Izolátory blokující zesilovače

Gene enhancer.svg

Podobný mechanismus účinku pro izolátory blokující zesilovače; chromatinové smyčkové domény se tvoří v jádru, které odděluje zesilovač a promotor cílového genu. Smyčkové domény se tvoří prostřednictvím interakce mezi prvky blokujícími zesilovače, které vzájemně interagují nebo zajišťují chromatin vlákno na konstrukční prvky uvnitř jádro.[4] Působení těchto izolátorů závisí na umístění mezi promotorem cílového genu a zesilovačem proti směru nebo proti proudu. Specifický způsob, jakým izolátory blokují zesilovače, závisí na způsobu působení zesilovačů. Vylepšovače mohou přímo interagovat se svými cílovými promotéry pomocí opakování[9] (model s přímým kontaktem), v takovém případě izolátor brání této interakci vytvořením smyčkové domény, která odděluje místa zesilovače a promotoru a brání smyčce promotoru-zesilovače ve formování.[4] Zesilovač může také působit na promotor prostřednictvím signálu (sledovací model akce zesilovače). Tento signál může být blokován izolátorem prostřednictvím zacílení na komplex nukleoproteinů na bázi tvorby smyčky.[4]

Bariérové ​​izolátory

Bariérová aktivita byla spojena s narušením specifických procesů v cestě tvorby heterochromatinu. Tyto typy izolátorů modifikují nukleosomální substrát v reakčním cyklu, který je ústředním bodem tvorby heterochromatinu.[4] Úpravy jsou dosaženy různými mechanismy včetně nukleosom odstranění, při kterém prvky vylučující nukleosomy narušují šíření a umlčování heterochromatinu (umlčování zprostředkované chromatinem). Úpravy lze provést také náborem histon acetyltransferáza komplexy a remodelační komplexy závislé na ATP.[4]

Izolátor CTCF

The CTCF Zdá se, že izolátor má aktivitu blokování zesilovače prostřednictvím své 3D struktury[10] a nemají žádnou přímou souvislost s bariérovou aktivitou.[11] Obzvláště obratlovci se do značné míry spoléhají na izolátor CTCF, je však identifikováno mnoho různých sekvencí izolátoru.[2] Izolované čtvrti vytvořené fyzickou interakcí mezi dvěma lokusy DNA vázanými na CTCF obsahují interakce mezi enhancery a jejich cílovými geny.[12]

Nařízení

Jeden mechanismus regulace CTCF je prostřednictvím methylace jeho Sekvence DNA. Je známo, že protein CTCF se příznivě váže na nemetylovaná místa, takže z toho vyplývá, že methylace CpG ostrovy je bod epigenetická regulace.[2] Příklad toho lze vidět v Igf2-H19 imprinted locus, kde methylace otcovské otištěné kontrolní oblasti (ICR) brání vazbě CTCF.[13] Druhý mechanismus regulace spočívá v regulaci proteinů, které jsou nutné pro plně funkční izolátory CTCF. Mezi tyto proteiny patří mimo jiné kohesin, RNA polymeráza a CP190.[2][14]

cikán izolátor

Prvek izolátoru, který se nachází v cikán retrotranspozon z Drosophila je jednou z několika sekvencí, které byly podrobně studovány. The cikán izolátor najdete na 5 ' nepřeložená oblast (UTR) retrotransposon živel. Cikán ovlivňuje expresi sousedních genů až do vložení do nového genomický umístění, způsobující mutanta fenotypy které jsou tkáňově specifické a jsou přítomny v určitých vývojových stádiích. Izolátor má pravděpodobně inhibiční účinek na zesilovače, které řídí prostorovou a časovou expresi ovlivněného genu.[15]

Místo β-globinu

První příklady izolátorů u obratlovců byly pozorovány v lokusu kuřecího β-globinu, cHS4. cHS4 označuje hranici mezi aktivním euchromatinem v lokusu β-globinu a předřazenou heterochromatinovou oblastí, která je vysoce kondenzovaná a neaktivní. The cHS4 izolátor působí jako bariéra tlumení zprostředkovaného chromatinem prostřednictvím šíření heterochromatinu a blokuje interakce mezi enhancery a promotory. Rozlišovací charakteristika cHS4 je to, že má na svém 5 'konci opakující se heterochromatickou oblast.[5]

Homolog lidského lokusu β-globinu z cHS4 je HS5. Na rozdíl od kuřecího lokusu β-globinu má lidský lokus β-globinu otevřenou strukturu chromatinu a není ohraničen 5 'heterochromatickou oblastí. HS5 je považován za genetický izolátor in vivo protože má jak aktivitu blokující zesilovač, tak aktivity transgenní bariéry.[5]

CTCF byl nejprve charakterizován pro svou roli v regulaci exprese genu p-globinu. V tomto místě funguje CTCF jako protein vázající izolátor tvořící chromozomální hranici.[13] CTCF je přítomen jak v kuřecím lokusu β-globinu, tak v lidském lokusu β-globinu. V cHS4 lokusu kuřecího β-globinu se CTCF váže na oblast (FII), která je zodpovědná za aktivitu blokující zesilovač.[5]

Genetické důsledky

Otisk

Schopnost aktivátorů se aktivovat potiskem geny závisí na přítomnosti izolátoru na nemetylovaný alela mezi těmito dvěma geny. Příkladem toho je Igf2-H19 potištěný lokus. V tomto lokusu reguluje CTCF protein vtisknutou expresi vazbou na nemetylovanou mateřskou vtištěnou kontrolní oblast (ICR), ale ne na otcovské ICR. Když je vázán na nemetylovanou mateřskou sekvenci, CTCF účinně blokuje následné zesilovací prvky v interakci s Igf2 genový promotor, ponechávající pouze H19 gen být vyjádřený.[13]

Transkripce

Když izolátor sekvence jsou umístěny v těsné blízkosti promotér genu, bylo navrženo, že by mohly sloužit ke stabilizaci interakcí zesilovače s promotorem. Když jsou umístěny dále od promotoru, izolační prvky by konkurovaly zesilovači a interferovaly s aktivací transkripce.[3] Tvorba smyček je u eukaryot běžná, aby přinesla distální prvky (enhancery, promotory, oblasti kontroly lokusu ) do užší blízkosti pro interakci během transkripce.[4] Mechanismus izolátorů blokujících zesilovače by pak, pokud je ve správné poloze, mohl hrát roli v regulaci aktivace transkripce.[3]

Mutace a rakovina

Izolátory CTCF ovlivňují expresi genů zapojených do buněčný cyklus regulační procesy, které jsou důležité pro růst buněk, diferenciace buněk a programovaná buněčná smrt (apoptóza ). Dva z těchto genů pro regulaci buněčného cyklu, o nichž je známo, že interagují s CTCF, jsou HTERT a C-MYC. V těchto případech a ztráta funkce mutace na gen izolátoru CTCF mění vzorce exprese a může ovlivnit souhru mezi buněčným růstem, diferenciací a apoptózou a vést k tumourigenesis nebo jiné problémy.[2]

CTCF je také nutný pro expresi nádorového represoru retinoblastom Gen (Rb) a mutace a delece tohoto genu jsou spojeny s zdědil malignity. Když je vazebné místo CTCF odstraněno, exprese Rb je snížena a nádory jsou schopné prospívat.[2]

Mezi další geny, které kódují regulátory buněčného cyklu, patří BRCA1, a p53, což jsou látky potlačující růst, které jsou umlčeny u mnoha typů rakoviny a jejichž exprese je řízena CTCF. Ztráta funkce CTCF v těchto genech vede k umlčení růstového supresoru a přispívá k tvorbě rakoviny.[2]

Reference

  1. ^ A b Allison, Lizabeth A. (2012). Základní molekulární biologie. New Jersey: John Wiley & Sons, Inc. str. 300–301. ISBN  9781118059814.
  2. ^ A b C d E F G Yang, Jingping; Corces, Victor G. (2011). „Chromatinové izolátory: role v jaderné organizaci a genová exprese“. Pokroky ve výzkumu rakoviny. 110: 43–76. doi:10.1016 / B978-0-12-386469-7.00003-7. ISBN  9780123864697. ISSN  0065-230X. PMC  3175007. PMID  21704228.
  3. ^ A b C d E F West, Adam G .; Gaszner, Miklos; Felsenfeld, Gary (2002-02-01). "Izolátory: mnoho funkcí, mnoho mechanismů". Geny a vývoj. 16 (3): 271–288. doi:10,1101 / gad.954702. ISSN  0890-9369. PMID  11825869.
  4. ^ A b C d E F G h Gaszner, Miklos; Felsenfeld, Gary (září 2006). „Izolátory: využití transkripčních a epigenetických mechanismů“. Genetika hodnocení přírody. 7 (9): 703–713. doi:10.1038 / nrg1925. ISSN  1471-0064. PMID  16909129. S2CID  31291034.
  5. ^ A b C d Wai, Albert W. K.; Gillemans, Nynke; Raguz-Bolognesi, Selina; Pruzina, Sara; Zafarana, Gaetano; Meijer, zemře; Philipsen, Sjaak; Grosveld, Frank (01.09.2003). „HS5 oblasti kontroly lidského β-globinového lokusu: hranice specifická pro vývojové stádium v ​​erytroidních buňkách“. Časopis EMBO. 22 (17): 4489–4500. doi:10.1093 / emboj / cdg437. ISSN  0261-4189. PMC  202379. PMID  12941700.
  6. ^ Burgess-Beusse B, Farrell C, Gaszner M, Litt M, Mutskov V, Recillas-Targa F, Simpson M, West A, Felsenfeld G (prosinec 2002). „Izolace genů od externích zesilovačů a umlčování chromatinu“. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 99 Suppl 4: 16433–7. doi:10.1073 / pnas.162342499. PMC  139905. PMID  12154228.
  7. ^ Perkel J (1. června 2015). „Mapování chromozomových čtvrtí“. Biotechniky. 58 (6): 280–284. doi:10.2144/000114296. PMID  26054763.
  8. ^ Ong CT, Corces VG (duben 2014). „CTCF: architektonický protein překlenující topologii a funkci genomu“. Nat Rev Genet. 15 (4): 234–46. doi:10.1038 / nrg3663. PMC  4610363. PMID  24614316.CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz)
  9. ^ Deng, W; Lee, J; Wang, H; Miller, J; Reik, A; Gregory, P. D .; Dean, A; Blobel, G. A. (2012). „Ovládání genomových interakcí dlouhého dosahu na nativním místě pomocí cíleného vázání smyčkového faktoru“. Buňka. 149 (6): 1233–44. doi:10.1016 / j.cell.2012.03.051. PMC  3372860. PMID  22682246.
  10. ^ Phillips JE, Corces VG (červen 2009). „CTCF: mistr tkáče genomu“. Buňka. 137 (7): 1194–211. doi:10.1016 / j.cell.2009.06.001. PMC  3040116. PMID  19563753.
  11. ^ Phillips, Jennifer E .; Corces, Victor G. (2009-06-26). „CTCF: Master Weaver of the Genome“. Buňka. 137 (7): 1194–1211. doi:10.1016 / j.cell.2009.06.001. ISSN  0092-8674. PMC  3040116. PMID  19563753.
  12. ^ Dowen, JM; Ventilátor, ZP; Hnisz, D; Ren, G; Abraham, BJ; Zhang, LN; Weintraub, AS; Schuijers, J; Lee, TI; Zhao, K; Young, RA (9. října 2014). "Kontrola genů buněčné identity se vyskytuje v izolovaných sousedstvích v savčích chromozomech". Buňka. 159 (2): 374–87. doi:10.1016 / j.cell.2014.09.030. PMC  4197132. PMID  25303531.
  13. ^ A b C Allison, Lizabeth A. (2012). Základní molekulární biologie. New Jersey: John Wiley & Sons, Inc. str. 367. ISBN  9781118059814.
  14. ^ Kim, Somi; Yu, Nam-Kyung; Kaang, Bong-Kiun (červen 2015). „CTCF jako multifunkční protein v regulaci genomu a genové expresi“. Experimentální a molekulární medicína. 47 (6): e166. doi:10.1038 / emm.2015.33. ISSN  2092-6413. PMC  4491725. PMID  26045254.
  15. ^ Gdula, David A .; Gerasimova, Tatiana I .; Corces, Victor G. (1996). "Genetická a molekulární analýza cikánského chromatinového izolátoru Drosophila". Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 93 (18): 9378–9383. doi:10.1073 / pnas.93.18.9378. JSTOR  39717. PMC  38435. PMID  8790337.

externí odkazy