Изолятор (генетика) - Insulator (genetics)

Для электрического изолятора см. Изолятор (электричество).
Для использования в других целях см. Изоляция (значения).

An изолятор это тип цис-регуляторный элемент известный как дальний регулирующий элемент. Нашел в многоклеточный эукариоты и работать на расстоянии от промоутер элемент целевого гена, инсулятор обычно составляет 300 бп длиной до 2000 п.н.[1] Изоляторы содержат сгруппированные участок связывания для конкретной последовательности ДНК-связывающие белки[1] и посредничество внутри- и меж-хромосомный взаимодействия.[2]

Изоляторы функционируют как усилитель -блокатор или барьер, или и то, и другое. Механизмы, с помощью которых изолятор выполняет эти две функции, включают образование петель и нуклеосома модификации.[3][4] Есть много примеров изоляторов, в том числе CTCF изолятор, цыганка изолятор, а β-глобин локус. Изолятор CTCF особенно важен в позвоночные, в то время как цыганка изолятор участвует в Дрозофила. 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 печать и их способность регулировать транскрипция. Мутации изоляторов связаны с рак в результате клеточный цикл нарушение правил опухолеобразование, и подавление подавителей роста.

Функция

Изоляторы выполняют две основные функции:[3][4]

  1. Изоляторы, блокирующие усилители, предотвращают дистальное усилители от воздействия на промотор соседних генов
  2. Барьерные изоляторы предотвращают глушение эухроматин распространением соседних гетерохроматин

В то время как блокирование энхансера классифицируется как межхромосомное взаимодействие, действие барьера классифицируется как внутрихромосомное взаимодействие. Потребность в изоляторах возникает там, где два смежных гены на хромосома очень разные транскрипция узоры; очень важно, чтобы механизмы индукции или репрессии одного из них не мешали работе соседнего гена.[6] Также было обнаружено, что изоляторы группируются на границах топологически связывающие домены (TAD) и могут играть роль в разделении генома на «хромосомные окрестности» - геномные области, внутри которых происходит регуляция.[7][8]

Некоторые инсуляторы могут действовать как блокаторы энхансеров и барьеры, а некоторые выполняют только одну из двух функций.[3] Вот несколько примеров различных изоляторов:[3]

  • Drosophila melanogaster изоляторы цыганка и scs scs оба являются инсуляторами, блокирующими энхансер
  • Gallus gallus есть изоляторы, Лис 5 'А которые обладают как энхансер-блокирующей, так и барьерной активностью, а также HS4 которые обладают только активностью по блокированию энхансеров
  • Saccharomyces cerevisiae изоляторы STAR и UASrpg оба являются барьерными изоляторами
  • Homo sapiens HS5 инсулятор действует как энхансер-блокатор

Механизм действия

Изоляторы, блокирующие усилители

Ген Enhancer.svg

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 защищающими хроматин волокна к структурным элементам внутри ядро.[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 зацикливания.[9] (модель прямого контакта), и в этом случае инсулятор предотвращает это взаимодействие за счет образования домена петли, который разделяет сайты энхансера и промотора и предотвращает образование петли промотор-энхансер.[4] Энхансер также может воздействовать на промотор посредством сигнала (модель отслеживания действия энхансера). Этот сигнал может быть заблокирован инсулятором за счет нацеливания нуклеопротеинового комплекса в основании образования петли.[4]

Изоляторы барьерные

Барьерная активность связана с нарушением определенных процессов в пути образования гетерохроматина. Эти типы инсуляторов модифицируют нуклеосомный субстрат в реакционном цикле, который играет центральную роль в образовании гетерохроматина.[4] Изменения достигаются с помощью различных механизмов, включая нуклеосома удаление, при котором элементы, исключающие нуклеосомы, нарушают распространение и молчание гетерохроматина (опосредованное хроматином молчание). Модификация также может быть сделана путем набора гистонацетилтрансфераза (s) и АТФ-зависимые комплексы ремоделирования нуклеосом.[4]

CTCF изолятор

В CTCF инсулятор, по-видимому, обладает активностью по блокированию энхансеров благодаря своей трехмерной структуре[10] и не имеют прямого отношения к барьерной активности.[11] Позвоночные, в частности, по-видимому, в значительной степени полагаются на инсулятор CTCF, однако идентифицировано много различных инсуляторных последовательностей.[2] Утепленные кварталы образованные физическим взаимодействием между двумя локусами ДНК, связанными с CTCF, содержат взаимодействия между энхансерами и их генами-мишенями.[12]

Регулирование

Один из механизмов регулирования CTCF - через метилирование своего Последовательность ДНК. Известно, что белок CTCF благоприятно связывается с неметилированными сайтами, поэтому следует, что метилирование Острова CpG это точка эпигенетическая регуляция.[2] Пример этого можно увидеть в Igf2-H19 импринтированный локус, в котором 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-полимераза, и CP190.[2][14]

цыганка изолятор

Элемент изолятора, который находится в цыганка ретротранспозон Дрозофила является одной из нескольких детально изученных последовательностей. В цыганка изолятор можно найти в 5 ' непереведенный регион (UTR) ретротранспозон элемент. Цыганский влияет на экспрессию соседних генов, ожидающих вставки в новый геномный местоположение, вызывающее мутант фенотипы которые являются тканевоспецифичными 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 вышележащей областью гетерохроматина, которая является сильно конденсированной и неактивной. В cHS4 инсулятор действует как барьер для опосредованного хроматином сайленсинга через распространение гетерохроматина, и блокирует взаимодействия между энхансерами и промоторами. Отличительная черта cHS4 в том, что на его 5'-конце имеется повторяющаяся гетерохроматическая область.[5]

Гомолог 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. HS5 считается генетическим изолятором in vivo так как он обладает активностью блокирования энхансеров и барьерной активностью 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 усилителей активировать отпечатанный генов зависит от наличия инсулятора на неметилированный аллель между двумя генами. Примером этого является Igf2-H19 отпечатанный локус. В этом локусе белок CTCF регулирует импринтированную экспрессию путем связывания с неметилированной материнской импринтированной контрольной областью (ICR), но не с отцовской ICR. При связывании с неметилированной материнской последовательностью CTCF эффективно блокирует последующие энхансерные элементы от взаимодействия с Igf2 промотор гена, оставив только H19 ген быть выразил.[13]

Транскрипция

Когда изолятор последовательности расположены в непосредственной близости от промоутер гена, было высказано предположение, что они могут служить для стабилизации взаимодействий энхансер-промотор. Когда они расположены дальше от промотора, элементы инсулятора будут конкурировать с энхансером и мешать активации транскрипция.[3] У эукариот часто образуется петля, которая приносит дистальные элементы (энхансеры, промоторы, регионы контроля локуса ) на более близкое расстояние для взаимодействия во время транскрипции.[4] Механизм инсуляторов, блокирующих энхансеры, тогда, если они находятся в правильном положении, может играть роль в регуляции активации транскрипции.[3]

Мутации и рак

Инсуляторы CTCF влияют на экспрессию генов, участвующих в клеточный цикл регуляция процессов, важных для роста клеток, дифференциация клеток, и запрограммированная гибель клеток (апоптоз ). Два из этих генов регуляции клеточного цикла, которые, как известно, взаимодействуют с CTCF: hTERT и C-MYC. В этих случаях Потеря функции мутация гена инсулятора CTCF изменяет характер экспрессии и может влиять на взаимодействие между ростом, дифференцировкой и апоптозом клеток и приводить к опухолеобразование или другие проблемы.[2]

CTCF также необходим для экспрессии опухолевого репрессора. ретинобластома (Rb) ген и мутации и делеции этого гена связаны с унаследованный злокачественные новообразования. 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. Потеря функции CTCF в этих генах приводит к подавлению подавления роста и способствует образованию рака.[2]

Рекомендации

  1. ^ а б Эллисон, Лизабет А. (2012). Фундаментальная молекулярная биология. Нью-Джерси: John Wiley & Sons, Inc., стр. 300–301. ISBN  9781118059814.
  2. ^ а б c d е ж грамм Ян, Цзинпин; Корсес, Виктор Г. (2011). «Хроматиновые инсуляторы: роль в ядерной организации и экспрессии генов». Достижения в исследованиях рака. 110: 43–76. Дои:10.1016 / B978-0-12-386469-7.00003-7. ISBN  9780123864697. ISSN  0065-230X. ЧВК  3175007. PMID  21704228.
  3. ^ а б c d е ж West, Adam G .; Гасзнер, Миклош; Фельзенфельд, Гэри (01.02.2002). «Изоляторы: много функций, много механизмов». Гены и развитие. 16 (3): 271–288. Дои:10.1101 / gad.954702. ISSN  0890-9369. PMID  11825869.
  4. ^ а б c d е ж грамм час Гасзнер, Миклош; Фельзенфельд, Гэри (сентябрь 2006 г.). «Инсуляторы: использование транскрипционных и эпигенетических механизмов». Природа Обзоры Генетика. 7 (9): 703–713. Дои:10,1038 / nrg1925. ISSN  1471-0064. PMID  16909129. S2CID  31291034.
  5. ^ а б c d 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. Дои:10.1093 / emboj / cdg437. ISSN  0261-4189. ЧВК  202379. PMID  12941700.
  6. ^ 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. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 99 Дополнение 4: 16433–7. Дои:10.1073 / pnas.162342499. ЧВК  139905. PMID  12154228.
  7. ^ Перкель Дж. (1 июня 2015 г.). «Картирование окрестностей хромосом». Биотехнологии. 58 (6): 280–284. Дои:10.2144/000114296. PMID  26054763.
  8. ^ Онг CT, Corces VG (апрель 2014 г.). «CTCF: архитектурный белок, связывающий топологию и функцию генома». Нат Рев Жене. 15 (4): 234–46. Дои:10.1038 / nrg3663. ЧВК  4610363. PMID  24614316.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  9. ^ Дэн, Вт; Ли, Дж; Wang, H; Миллер, Дж; Рейк, А; Gregory, P.D .; Дин, А; Блобель, Г. А. (2012). «Управление дальнодействующими геномными взаимодействиями в нативном локусе посредством целевого связывания фактора петли». Клетка. 149 (6): 1233–44. Дои:10.1016 / j.cell.2012.03.051. ЧВК  3372860. PMID  22682246.
  10. ^ Филлипс Дж. Э., Корсес В. Г. (июнь 2009 г.). «CTCF: мастер-ткач генома». Клетка. 137 (7): 1194–211. Дои:10.1016 / j.cell.2009.06.001. ЧВК  3040116. PMID  19563753.
  11. ^ Филлипс, Дженнифер Э .; Корсес, Виктор Г. (26.06.2009). "CTCF: Мастер-Ткач Генома". Клетка. 137 (7): 1194–1211. Дои:10.1016 / j.cell.2009.06.001. ISSN  0092-8674. ЧВК  3040116. PMID  19563753.
  12. ^ Dowen, JM; Вентилятор, ЗП; Hnisz, D; Рен, 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». Клетка. 159 (2): 374–87. Дои:10.1016 / j.cell.2014.09.030. ЧВК  4197132. PMID  25303531.
  13. ^ а б c Эллисон, Лизабет А. (2012). Фундаментальная молекулярная биология. Нью-Джерси: John Wiley & Sons, Inc., стр. 367. ISBN  9781118059814.
  14. ^ 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. Дои:10.1038 / emm.2015.33. ISSN  2092-6413. ЧВК  4491725. PMID  26045254.
  15. ^ 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. Дои:10.1073 / пнас.93.18.9378. JSTOR  39717. ЧВК  38435. PMID  8790337.

внешняя ссылка