I denne måned ‘ s episode, vi kommer til at vende et emne, som de fleste—måske endda alle—læsere blev udsat for i nogle langt borte, bachelor kursus, men muligvis ikke i meget dybde eller med dens betydning for menneskers genetiske sygdomme gjort meget klart udenfor et par særlige tilfælde. Her er en hurtig test: overvej spørgsmålet, “er mutationer i eller direkte ved siden af kodende regioner af gener de eneste, der sandsynligvis vil føre til sygdomstilstande?”Hvis din umiddelbare reaktion er at besvare dette med et “ja”, er denne artikel noget for dig., (Hvis du svarede “Nej”, Vil du måske læse videre alligevel og se, om din logik er rigtig!
lad os gå tilbage til nogle meget grundlæggende molekylærbiologi.,ome indeholder gener, som er regioner af DNA, som bliver transskriberet til RNA; i nogle tilfælde er dette RNA er selv direkte funktionelle (ting som tRNAs eller 18S del af ribosomets, for eksempel), men i de fleste tilfælde, RNA er en mRNA, der bærer et protein kodende sekvens, som er oversat af ribosom maskiner i et kovalent forbundet serie af aminosyrer—et protein, som af natur er af varieret side chain kemiske stoffer og deres elektrostatisk -, brint-bond, og hydrofobe interaktioner folder op til en termodynamisk energi minima tilstand til at skabe et funktionelt enzym eller strukturelle proteiner., Mutationer, ændringer og underliggende DNA-sekvens, der—inden for en af denne kodning regionen er statistisk tilbøjelige til at forårsage uønskede ændringer af funktion i den færdige protein produkt, selv om det “sandsynligt”, der er en påmindelse om, at sådanne mutationer kan være tavs (hvilket ikke forårsager en protein-sekvens ændre), eller ikke skadelige (forårsager en ændring, som ikke har væsentlig indflydelse), eller endda muligvis fordelagtigt, hvilket giver et biologisk mere fit produkt.,
hvad det komprimerede resum.af ca. to års værd af undergrad biologi kurser udelader, er, at disse gener i ens DNA ikke bare magisk transkriberer til RNA alene. I betragtning af at kun en lille brøkdel af det menneskelige genom bærer faktiske gener som defineret ovenfor, findes der andre DNA-sekvenselementer, hvis eneste rolle er at markere, hvor gener er, og at kontrollere deres ekspressionsniveau (transkription til RNA)., Der er tre særligt signifikante typer af disse kontrolelementer, kaldet promotorer, forstærkere og undertrykkere; og som vi vil se nedenfor, kan mutationer i nogen af disse have virkninger som alvorlige (eller værre) end mutationer i kodende sekvenser.
Initiativtagere: den proksimale gatekeeper for et gen
Initiativtagere er relativt korte sekvenser (omkring 100 til 1.000 base-par i længden) altid fundet direkte opstrøms (5′, med hensyn til DNA-kodning strand) af genet, som de kontrol (“drive” i sædvanlig sprogbrug)., Disse sekvenser indeholder elementer, der rekrutterer i RNA-polymeraser, der er ansvarlige for transkribering af genet. Meget forsimplet, hvis en bestemt defineret promotor sekvens i en bestemt celle type og indstilling, der er så effektive til at rekruttere RNA-polymerase—lad os kalde det 100 procent aktivitet—så variationer i den sekvens, der kan opstå, som reducere denne aktivitet (mindre RNA er lavet per tidsenhed)., Nogle ændringer er mere forstyrrende end andre, og i kombinationer er det ikke svært at forestille sig, hvordan variationer fra en “bedste” promotorsekvens kan føre til potentiale for et glat interval af basale ekspressionshastigheder, fra sub 1 procent til fuld 100 procent udtryk. Det er en god ting fra en celles synspunkt, fordi det giver forskellige gener mulighed for at få deres ekspressionsniveauer skræddersyet til den steady state mængde genprodukt, der er nødvendigt.
tilføjelse (bogstaveligt talt) et lag af kompleksitet her er, at promotorer ikke direkte binder RNA-polymerase., I stedet, de indeholder kortere sub-sekvenser, der er anerkendt som bindingssteder for en klasse af proteiner, der er kendt som transskription faktorer (TFs); der er rigtig mange af disse, hver med deres egne foretrukne DNA-sekvens bindende site (som regel korte, 10-20 basepar) og deres eget niveau af evne til at rekruttere i RNA-polymerase. Mange har også, enten direkte eller indirekte, allosteriske (sekundære) bindingssteder, hvor ligander såsom metabolitter eller hormoner kan binde og påvirke transkriptionsfaktorens aktivitetsniveau., I virkeligheden, det er det komplekse samspil af alle disse forskellige transkriptionsfaktorer og deres modulerende ligander, som er kernen af, hvordan forskellige typer af celler, der er defineret, og en hepatocyte opfører sig anderledes end en epitelcelle på trods af både at have den samme DNA—de er “modtager forskellige signaler”—der styrer deres relative udtryk niveauer af forskellige gener.,
det er let at forstå, hvordan en mutation inden for en promotor, der ændrer et TF-bindingssted, kan føre til problemer ikke gennem en ændring i funktionen af det modne genprodukt, men gennem variation i ekspressionsniveauet for produktet. Uønskede enten op-eller ned-regulering af et gen kan have alvorlige konsekvenser, og hvis det er uheldige nok til at ske i et gen, som igen styrer udtryk eller aktiviteten af andre gener, et helt sæt af gener, der kan have deres niveau ændres med en enkelt nukleotid-ændringer., I næsten alle tilfælde er det ikke det bedste, og en sådan ændring resulterer i en sygdomstilstand.
læseren vil huske, at vi startede dette afsnit med at angive, at en promotor altid er direkte opstrøms for et gen. Afstanden mellem arrangøren og den transkriptionel start-stedet (hvor første RNA nukleotid, vil blive fastsat i en spirende udskrift) er også vigtig, så indsættelse eller sletning mutationer—endda dem som ikke direkte ændre nogen specifikke TF bindende steder—kan påvirke genekspressionen niveau. Et eksempel på dette umiddelbart kendte for alle læsere ville være Huntingtons Sygdom., Her ligger et ustabilt genetisk element mellem promotoren og det transkriptionelle startsted. Normalt er afstanden acceptabel, og tilstrækkelige niveauer af Huntington-genet mRNA transkriberes; men under cellereplikation kan det ustabile element få yderligere DNA indsat, hvilket flytter promotoren væk fra starten af genet. Da dette sker, promotoren er mindre effektiv til kørsel transskription og transkript niveauer falder., Hvis indsættelsen er lille, og faldet i ekspression er lavt, forekommer åben sygdom ikke, men det betragtes som en “bærer” tilstand, hvor yderligere ekspansion vil falde genekspression under niveauer, der kræves til normal funktion, og sygdomspatologi resulterer. (Carrier I denne forstand er ikke strengt identisk med betydningen i Mendelian genetik, således anførselstegn.,)
den nederste linje er, at for hvert gen er ikke kun kodningsafsnitssekvensen vigtig for korrekt funktion, men der er altid en tilstødende promotorregion, der er modtagelig for mutationer, der kan have alvorlige kliniske konsekvenser. Et gen kan have en perfekt vildtype kodning sekvens og alligevel ikke fungere efter behov.
forstærkere og undertrykkere
den gode nyhed om promotorer er, at vi ved, hvor vi kan finde dem., I virkeligheden, ved sekventering og undersøge et stort antal af dem i forskellige sammenhænge, og at identificere de forskellige TFs at binde deres binding sites og deres ligander, vi forstår, kan finde, og i den rigtige sammenhæng, endda manipulere initiativtagere på vilje til at gøre ting, som skaber væv specifikke gen-ekspression.forstærkere og undertrykkere er dog mere udfordrende. Disse er DNA-sekvenselementer, som også kan modulere genekspressionsniveauer (opad for forstærkere og nedad for undertrykkere, som man kunne gætte)., Ligesom promotorer er de korte (50-1.000) basepar-elementer,og inden for dette element vil de bære bindingssteder (ofte som gentagne kopier) for proteiner, der kan påvirke transkriptionshastigheder ved nærliggende gener. I nærheden er der dog et bevidst vagt udtryk, da det kan variere op til 1 million basepar væk fra det gen, det påvirker, og de kan være enten opstrøms eller nedstrøms—det vil sige 5′ eller 3’—til genet. De er i det mindste begrænset til handling i sng-eller med andre ord, på samme sammenhængende kromosom, som genet, men at identificere dem i forhold til et bestemt gen kan være udfordrende., I betragtning af tilfældet med en hypotetisk forstærkersekvens ville det at finde uventet lave ekspressionsniveauer af et ellers intakt gen med tilsyneladende normal promotorsekvens være det første fingerpeg om, at forstærkersekvenser kan være involveret. Hvis en række af sådanne tilfælde kunne findes, og genomisk region flankerer det påvirkede gen kan sekventeres, identifikation af eventuelle områder af genetisk ændring fra vilde type til fælles blandt disse tilfælde ville være et sted at kigge efter forstærker elementer. Skader (sekvensændring eller sletning) af disse forventes at reducere genekspression., Spejlbilledet af dette på en måde er en repressor, der deler de samme egenskaber, men som i sin normale tilstand reducerer ekspressionen af genet. Mutationer på et undertrykkelsessted forårsager derefter en uønsket opregulering i genekspression.
hvordan fungerer forstærkere og undertrykkere på så store afstande—og måske mere interessant, hvordan er det, at de er specifikke? Det vil sige, en forstærker eller repressor vil normalt virke på et bestemt distalt gen, endnu andre gener i nærheden af den påvirkede må ikke påvirkes., Svaret på dette er måske noget skuffende, da der ikke er noget fantastisk; svaret er, fordi forstærkeren eller undertrykkeren ikke er rumligt langt væk fra det gen, det regulerer. Med andre ord er forstærkere og undertrykkere i stand til at arbejde på sekventielt distale mål på grund af kromatinorganisation. Ved indpakning og komprimering af kromosomer, så de passer ind i en cellekerne, kan fjerne sekvenselementer placeres fysisk ved siden af hinanden, således at et proteinbindende et sekvenselement direkte berører og påvirker et andet., Den kloge læser vil dog bemærke, at for at dette skal fungere pålideligt, genpakningen og organisationen skal forekomme reproducerbart, således at de to kromosomsektioner kan påberåbes for at være i nærheden. En endnu mere klog læser kan yderligere gætte, at hvis kromosomorganisation og pakning ændres på en pålidelig måde under trin i cellecyklussen, kan man forestille sig forstærkere eller undertrykkere, som kun kan udøve indflydelse på bestemte tidspunkter.,
konklusion
take home-meddelelsen fra alt det ovenstående er, at nej, det er ikke kun kodningssekvensen for et givet gen, der kan mutere og påvirke genets biologiske funktion. Dette har mulige konsekvenser for den relative information, der bæres af hele genom sekventering vs hele exome sekventering projekter—men det er et emne for anden måned.
Skriv et svar