Cis -regulační prvek - Cis-regulatory element

Cis vnitrostátní regulační prvky ( Cres ) nebo Cis vnitrostátní regulační moduly ( CRM ) jsou oblasti nekódující DNA, které regulují na transkripci sousedních genů . CRE jsou životně důležitými součástmi genetických regulačních sítí , které zase řídí morfogenezi , vývoj anatomie a další aspekty embryonálního vývoje , studované v evoluční vývojové biologii .

CRE se nacházejí v blízkosti genů, které regulují. CRE typicky regulují transkripci genu vazbou na transkripční faktory . Jediný transkripční faktor se může vázat na mnoho CRE, a tím řídit expresi mnoha genů ( pleiotropie ). Latina Předpona cis prostředky „na této straně“, tedy na stejné molekule DNA jako gen (y), které mají být transkribovány.

CRM jsou úseky DNA , obvykle o délce 100–1 000 párů bází DNA, kde řada transkripčních faktorů může vázat a regulovat expresi blízkých genů a regulovat jejich rychlost transkripce. Jsou označeny jako cis, protože jsou typicky umístěny na stejném řetězci DNA jako geny, které kontrolují, na rozdíl od trans , což se týká účinků na geny, které se nenacházejí na stejném řetězci nebo dále, jako jsou transkripční faktory. Jeden cis -regulační prvek může regulovat několik genů a naopak jeden gen může mít několik cis -regulačních modulů. Cis -regulační moduly plní svou funkci integrací aktivních transkripčních faktorů a souvisejících kofaktorů v konkrétním čase a místě v buňce, kde jsou tyto informace čteny a je uveden výstup.

CRE jsou často, ale ne vždy proti směru transkripčního místa. CRE kontrastují s transregulačními prvky (TRE) . Kód TRE pro transkripční faktory.

Přehled

Schéma ukazující, ve kterých fázích lze řídit expresi dráhy DNA-mRNA-protein

Genomu organismu obsahuje kdekoli od několika set až tisíc různých genů, všechny kódující jedinečnou výrobku nebo více. Z mnoha důvodů, včetně organizační údržby, zachování energie a generování fenotypových rozptylů, je důležité, aby geny byly vyjádřeny pouze tehdy, když jsou potřeba. Nejúčinnější způsob, jak může organismus regulovat genovou expresi, je na transkripční úrovni. CRE fungují tak, že řídí transkripci tím, že působí poblíž nebo v genu. Nejlépe charakterizovanými typy CRE jsou zesilovače a promotory . Oba tyto sekvenční prvky jsou strukturální oblasti DNA, které slouží jako regulátory transkripce .

Cis -regulační moduly jsou jedním z několika typů funkčních regulačních prvků . Regulační prvky jsou vazebná místa pro transkripční faktory, které se podílejí na genové regulaci. Cis -regulační moduly provádějí velké množství vývojových zpracování informací. Cis -regulační moduly jsou náhodné klastry na jejich specifikovaném cílovém místě, které obsahují vazebná místa transkripčního faktoru.

Původní definice uváděla cis-regulační moduly jako zesilovače cis-působící DNA, které zvyšovaly rychlost transkripce z připojeného promotoru . Tato definice se však změnila tak, aby definovala cis -regulační moduly jako sekvenci DNA s vazebnými místy pro transkripční faktor, které jsou seskupeny do modulárních struktur, včetně, ale bez omezení na lokální kontrolní oblasti, promotory, zesilovače, tlumiče, hraniční kontrolní prvky a další modulátory.

Cis -regulační moduly lze rozdělit do tří tříd; zesilovače , které pozitivně regulují genovou expresi; izolátory , které fungují nepřímo interakcí s jinými blízkými cis -regulačními moduly; a tlumiče, které vypínají expresi genů.

Konstrukce cis -regulačních modulů je taková, že transkripční faktory a epigenetické modifikace slouží jako vstupy a výstupem modulu je příkaz daný transkripčnímu aparátu, který zase určuje rychlost transkripce genu nebo zda je zapnutý nebo vypnuto . Existují dva typy vstupů transkripčního faktoru: ty, které určují, kdy má být cílový gen exprimován, a ty, které slouží jako funkční ovladače , které vstupují do hry pouze během konkrétních situací během vývoje. Tyto vstupy mohou pocházet z různých časových bodů, mohou představovat různé signální ligandy nebo mohou pocházet z různých domén nebo linií buněk. Mnoho však stále zůstává neznámých.

Kromě toho regulace chromatinové struktury a jaderné organizace také hraje roli při určování a řízení funkce cis-regulačních modulů. Funkce genové regulace (GRF) tedy poskytují jedinečnou charakteristiku cis-regulačního modulu (CRM), vztahující koncentrace transkripčních faktorů (vstup) k aktivitám promotoru (výstup). Úkolem je předvídat GRF. Tato výzva stále zůstává nevyřešena. Funkce genové regulace obecně nepoužívají booleovskou logiku , i když v některých případech je přiblížení booleovské logiky stále velmi užitečné.

Logická logická domněnka

V rámci logické logiky zahrnuje principy, kterými se řídí provoz těchto modulů, návrh modulu, který určuje regulační funkci. Ve vztahu k vývoji mohou tyto moduly generovat pozitivní i negativní výstupy. Výstup každého modulu je součinem různých operací na něm provedených. Mezi běžné operace patří hradlo OR - tento návrh naznačuje, že výstup bude uveden, když je zadán buď vstup [3], a hradlo AND - v tomto návrhu jsou nutné dva různé regulační faktory, aby se zajistilo, že bude pozitivní výstup. „Přepínací přepínače“ - K tomuto návrhu dochází, když chybí signální ligand, zatímco je přítomen transkripční faktor; tento transkripční faktor nakonec působí jako dominantní represor. Jakmile je však signální ligand přítomen, je role transkripčního faktoru jako represoru eliminována a může dojít k transkripci.

Mohou také nastat další booleovské logické operace, jako jsou sekvenčně specifické transkripční represory, které když se navážou na cis -regulační modul, vedou k výstupu nula. Kromě vlivu z různých logických operací bude výstup "cis" regulačního modulu také ovlivněn předchozími událostmi. 4) Cis -regulační moduly musí interagovat s dalšími regulačními prvky. Z větší části, i když existuje funkční překrývání cis -regulačních modulů genu, vstupy a výstupy modulů obvykle nejsou stejné.

I když je předpoklad booleovské logiky pro systémovou biologii důležitý , podrobné studie ukazují, že logika genové regulace obecně není booleovská. To například znamená, že v případě cis -regulačního modulu regulovaného dvěma transkripčními faktory nelze experimentálně určené funkce genové regulace popsat 16 možnými booleovskými funkcemi dvou proměnných. K nápravě tohoto problému bylo navrženo neboleovské rozšíření logiky regulace genů.

Klasifikace

Cis -regulační moduly lze charakterizovat zpracováním informací, které kódují, a organizací jejich vazebných míst transkripčního faktoru. Navíc, cis vnitrostátní regulační moduly jsou také charakterizovány tím, jak ovlivní pravděpodobnost, poměr a rychlost transkripce. Vysoce kooperativní a koordinované cis -regulační moduly jsou klasifikovány jako enhanozomy . Architektura a uspořádání vazebných míst transkripčního faktoru jsou kritické, protože narušení uspořádání by mohlo funkci zrušit. Funkční flexibilní cis -regulační moduly se nazývají billboardy. Jejich transkripční výstup je sumační efekt vázaných transkripčních faktorů. Zesilovače ovlivňují pravděpodobnost aktivace genu, ale mají malý nebo žádný vliv na rychlost. Model binární odezvy funguje jako přepínač zapnutí/vypnutí pro přepis. Tento model zvýší nebo sníží množství buněk, které transkribují gen, ale neovlivní rychlost transkripce. Model reostatické odpovědi popisuje cis-regulační moduly jako regulátory iniciační rychlosti transkripce jejího přidruženého genu.

Promotér

Promotory jsou CRE skládající se z relativně krátkých sekvencí DNA, které zahrnují místo, kde je iniciována transkripce, a oblast přibližně 35 bp upstream nebo downstream od iniciačního místa (bp). U eukaryot mají promotory obvykle následující čtyři složky: box TATA , rozpoznávací místo TFIIB , iniciátor a downstream základní promotorový prvek . Bylo zjištěno, že jeden gen může obsahovat více promotorových míst. Aby bylo možné zahájit transkripci downstream genu, musí se na tuto oblast sekvenčně vázat hostitel proteinů vázajících DNA nazývaných transkripční faktory (TF). Teprve poté, co byla tato oblast svázána s příslušnou sadou TF a ve správném pořadí, může se RNA polymeráza vázat a začít přepisovat gen.

Zesilovače

Enhancery jsou CRE, které ovlivňují (zesilují) transkripci genů na stejné molekule DNA a lze je nalézt proti proudu, po proudu, uvnitř intronů nebo dokonce relativně daleko od genu, který regulují. Několik zesilovačů může koordinovaně působit, aby regulovalo transkripci jednoho genu. Řada sekvenčních projektů v celém genomu odhalila, že enhancery jsou často transkribovány do dlouhé nekódující RNA (lncRNA) nebo enhancerové RNA (eRNA), jejíž změny hladin často korelují se změnami mRNA cílového genu.

Tlumiče hluku

Tlumiče jsou CRE, které mohou vázat transkripční regulační faktory (proteiny) nazývané represory , čímž zabraňují transkripci genu. Termín "tlumič" může také odkazovat na oblast v 3 'nepřekládané oblasti messengerové RNA, která váže proteiny, které potlačují translaci této molekuly mRNA, ale toto použití je odlišné od jejího použití při popisu CRE.

Operátoři

Operátory jsou CRE v prokaryotech a některých eukaryotech, které existují v operonech , kde mohou vázat proteiny nazývané represory, aby ovlivnily transkripci.

Evoluční role

CRE mají důležitou evoluční roli. Kódující oblasti genů jsou mezi organismy často dobře konzervovány ; přesto různé organismy vykazují výraznou fenotypovou rozmanitost. Bylo zjištěno, že polymorfismy vyskytující se v nekódujících sekvencích mají hluboký účinek na fenotyp změnou genové exprese . Mutace vznikající v rámci CRE mohou generovat rozptyl výrazů změnou způsobu vazby TF. Užší nebo volnější vazba regulačních proteinů povede k up-or down-regulované transkripci.

Cis -regulační modul v genové regulační síti

Funkce genové regulační sítě závisí na architektuře uzlů , jejichž funkce je závislá na více cis -regulačních modulech. Rozložení cis -regulačních modulů může poskytnout dostatek informací pro generování prostorových a časových vzorců genové exprese. Během vývoje bude každá doména, kde každá doména představuje jiné prostorové oblasti embrya, genová exprese pod kontrolou různých cis -regulačních modulů. Konstrukce regulačního modulů pomoc při výrobě zpětnou vazbu , krmení dopředu , a cross-regulační smyčky.

Režim akce

Cis -regulační moduly mohou regulovat své cílové geny na velké vzdálenosti. Bylo navrženo několik modelů popisujících způsob, jakým mohou tyto moduly komunikovat s jejich promotorem cílového genu. Patří sem model skenování DNA, model smyčky sekvence DNA a model usnadněného sledování. V modelu skenování DNA se tvoří komplex transkripčního faktoru a kofaktoru v cis -regulačním modulu a poté pokračuje v pohybu podél sekvence DNA, dokud nenajde promotor cílového genu. V smyčkovém modelu se transkripční faktor váže na cis -regulační modul, který pak způsobí smyčku sekvence DNA a umožňuje interakci s promotorem cílového genu. Komplex transkripčního faktoru a cis -regulačního modulu způsobuje pomalé smyčkování sekvence DNA směrem k cílovému promotoru a vytváří stabilní smyčkovou konfiguraci. Model usnadněného sledování kombinuje části dvou předchozích modelů.

Identifikace a výpočetní predikce

Kromě experimentálně určujících CRM existují různé bioinformatické algoritmy pro jejich predikci. Většina algoritmů se pokouší vyhledat významné kombinace vazebných míst transkripčního faktoru (vazebná místa DNA ) v promotorových sekvencích koexprimovaných genů. Pokročilejší metody kombinují hledání významných motivů s korelací v datových sadách genové exprese mezi transkripčními faktory a cílovými geny. Obě metody byly implementovány například v modulu ModuleMaster . Mezi další programy vytvořené pro identifikaci a predikci cis -regulačních modulů patří:

INSECT 2.0 je webový server, který umožňuje prohledávat regulační moduly Cis v celém genomu. Program spoléhá na definici přísných omezení mezi weby TFBS (Transcription Factor Binding Sites), které modul tvoří, aby se snížila míra falešně pozitivních výsledků. INSECT je navržen tak, aby byl uživatelsky přívětivý, protože umožňuje automatické načítání sekvencí a několik vizualizací a odkazů na nástroje třetích stran, aby pomohl uživatelům najít ty instance, u nichž je větší pravděpodobnost, že budou skutečnými regulačními stránkami. Algoritmus INSECT 2.0 byl dříve publikován a algoritmus a teorie za ním vysvětleny v

Stubb používá skryté Markovovy modely k identifikaci statisticky významných shluků kombinací transkripčních faktorů. Používá také druhý související genom ke zlepšení přesnosti predikce modelu.

Bayesian Networks používá algoritmus, který kombinuje predikce míst a data o expresi specifická pro tkáně pro transkripční faktory a cílové geny, o které se jedná. Tento model také používá regresní stromy k zobrazení vztahu mezi identifikovaným cis -regulačním modulem a možnou vazebnou sadou transkripčních faktorů.

CRÈME zkoumá shluky cílových míst na hledané transkripční faktory. Tento program používá databázi potvrzených vazebných míst transkripčního faktoru, která byla anotována napříč lidským genomem . Na soubor dat je aplikován vyhledávací algoritmus k identifikaci možných kombinací transkripčních faktorů, které mají vazebná místa, která jsou blízko promotoru požadované sady genů. Možné cis-regulační moduly jsou pak statisticky analyzovány a významné kombinace jsou graficky znázorněny

Bylo obtížné identifikovat aktivní cis -regulační moduly v genomové sekvenci. Problémy s identifikací vyvstávají, protože vědci se často setkávají s malou sadou známých transkripčních faktorů, takže je těžší identifikovat statisticky významné shluky míst vázajících transkripční faktor. Vysoké náklady navíc omezují použití velkých polí pro obklady celého genomu .

Příklady

Příkladem cis-působící regulační sekvence je operátor v lac operonu . Tato sekvence DNA je vázána lac represorem , který zase brání transkripci sousedních genů na stejné molekule DNA. Operátor lac je tedy považován za "působícího v cis" při regulaci blízkých genů. Samotný operátor nekóduje žádný protein ani RNA .

Naproti tomu trans-regulační prvky jsou difuzní faktory, obvykle proteiny, které mohou modifikovat expresi genů vzdálených od genu, který byl původně přepsán, aby je vytvořil. Například transkripční faktor, který reguluje gen na chromozomu 6, mohl být sám transkribován z genu na chromozomu 11 . Termín trans-regulační je vytvořen z latinského kořene trans , což znamená „napříč“.

Existují cis-regulační a trans-regulační prvky. Cis-regulační prvky jsou často vazebnými místy pro jeden nebo více trans-působících faktorů.

Abychom to shrnuli, cis-regulační prvky jsou přítomny na stejné molekule DNA jako gen, který regulují, zatímco trans-regulační prvky mohou regulovat geny vzdálené od genu, ze kterého byly přepsány.

Příklady v RNA

Viz také

Reference

Další čtení

externí odkazy

• Informace o regulaci genů - ručně sestavené seznamy zdrojů, recenze, diskuze komunity
• Buněčný darwinismus
• Regulace genové exprese v USA Národní knihovna lékařských oborů (MeSH)