In der Folge dieses Monats werden wir ein Thema erneut aufgreifen, dem die meisten—möglicherweise sogar alle—Leser in einem weit entfernten Bachelor-Kurs ausgesetzt waren, aber möglicherweise nicht in viel Tiefe oder mit seiner Bedeutung für menschliche genetische Krankheiten, die außerhalb einiger Sonderfälle sehr deutlich gemacht wurden. Hier ist ein kurzer Test: Stellen Sie sich die Frage: „Sind Mutationen in oder direkt angrenzend an kodierende Regionen von Genen die einzigen, die wahrscheinlich zu Krankheitszuständen führen?“Wenn Ihre unmittelbare Reaktion darin besteht, dies mit einem „Ja“ zu beantworten, ist dieser Artikel für Sie., (Wenn Sie mit „Nein“ geantwortet haben, möchten Sie vielleicht trotzdem weiterlesen und sehen, ob Ihre Logik stimmt!)
Gehen wir zurück zu einer sehr grundlegenden Molekularbiologie.,ome enthält Gene, bei denen es sich um DNA—Regionen handelt, die in RNA transkribiert werden; In einigen Fällen ist diese RNA selbst direkt funktionsfähig (z. B. tRNAs oder die 18S—Komponente des Ribosoms), aber in den meisten Fällen handelt es sich bei der RNA um eine mRNA, die eine Proteinkodierungssequenz trägt, die von der ribosomalen Maschinerie in eine kovalent angehängte Reihe von Aminosäuren-ein Protein-übersetzt wird, das von Natur aus von den verschiedenen Seitenkettenchemikalien und ihren elektrostatischen, wasserstoffbindenden und hydrophoben Wechselwirkungen zu einem thermodynamischen Energieminima-Zustand faltet wird, um erstellen Sie ein funktionelles Enzym oder Strukturprotein., Mutationen-Änderungen an der zugrunde liegenden DNA-Sequenz-innerhalb einer dieser kodierenden Regionen verursachen statistisch wahrscheinlich unerwünschte Funktionsänderungen im endgültigen Proteinprodukt, obwohl „wahrscheinlich“ daran erinnert wird, dass solche Mutationen still sein können (dh keine Proteinsequenzänderung verursachen) oder nicht schädlich (eine Änderung verursachen, die keinen signifikanten Einfluss hat) oder sogar möglicherweise vorteilhaft sind und ein biologisch passenderes Produkt ergeben.,
Was diese komprimierte Zusammenfassung von Bachelor-Biologiekursen im Wert von etwa zwei Jahren auslässt, ist, dass diese Gene in ihrer DNA nicht nur magisch auf eigene Faust in RNA transkribieren. In Anbetracht dessen, dass nur ein kleiner Bruchteil des menschlichen Genoms tatsächliche Gene wie oben definiert trägt, gibt es andere DNA-Sequenzelemente, deren einzige Rolle darin besteht, zu markieren, wo sich Gene befinden, und ihren Expressionsgrad zu kontrollieren (Transkription an RNA)., Es gibt drei besonders signifikante Arten dieser Kontrollelemente, die als Promotoren, Enhancer und Repressoren bezeichnet werden.und wie wir unten sehen werden, können Mutationen in einem dieser Fälle schwerwiegende (oder schlimmere) Auswirkungen haben als Mutationen in kodierenden Sequenzen.
Promotoren: Der proximale Gatekeeper für ein Gen
Promotoren sind relativ kurze Sequenzen (etwa 100 bis 1.000 Basenpaare lang), die immer direkt stromaufwärts (5′, in Bezug auf den DNA-Kodierstrang) des Gens gefunden werden, das sie steuern („fahren“, im üblichen Sprachgebrauch)., Diese Sequenzen enthalten Elemente, die in RNA-Polymerasen rekrutieren, die für die Transkription des Gens verantwortlich sind. Wenn eine bestimmte definierte Promotorsequenz in einem bestimmten Zelltyp und einer bestimmten Einstellung maximal effizient bei der Rekrutierung von RNA—Polymerase ist—nennen wir diese 100-prozentige Aktivität -, können sehr einfach Variationen in der Sequenz auftreten, die diese Aktivität reduzieren (weniger RNA wird pro Zeiteinheit hergestellt)., Einige Änderungen sind störender als andere, und in Kombinationen ist es nicht schwer vorstellbar, wie Variationen von einer“ besten “ Promotorsequenz zu einem glatten Bereich von basalen Expressionsraten führen können, von sub 1 Prozent bis zur vollständigen 100 Prozent Expression. Das ist aus Sicht einer Zelle eine großartige Sache, weil es verschiedenen Genen ermöglicht, ihre Expressionsniveaus auf die benötigte stationäre Menge an Genprodukt zugeschnitten zu haben.
Das Hinzufügen (wörtlich) einer Komplexitätsschicht besteht darin, dass Promotoren RNA-Polymerase nicht direkt binden., Stattdessen enthalten sie kürzere Subsequenzen, die als Bindungsstellen für eine Klasse von Proteinen erkannt werden, die als Transkriptionsfaktoren (TFS) bekannt sind; Es gibt sehr viele von ihnen, jede mit ihrer eigenen bevorzugten DNA-Sequenzbindungsstelle (normalerweise kurz, 10-20 Basenpaare) und ihrer eigenen Fähigkeit, in RNA-Polymerase zu rekrutieren. Viele haben auch direkt oder indirekt allosterische (sekundäre) Bindungsstellen, an denen Liganden wie Metaboliten oder Hormone das Aktivitätsniveau des Transkriptionsfaktors binden und beeinflussen können., Tatsächlich ist es die komplexe Wechselwirkung all dieser verschiedenen Transkriptionsfaktoren und ihrer modulierenden Liganden, die den Kern der Definition verschiedener Zelltypen bildet, und ein Hepatozyt verhält sich anders als eine Epithelzelle, obwohl beide dieselbe DNA haben—sie empfangen „unterschiedliche Signale“—die ihre relativen Expressionsniveaus verschiedener Gene steuern.,
Es ist dann leicht zu verstehen, wie eine Mutation innerhalb eines Promotors, die eine TF-Bindungsstelle verändert, zu Problemen führen kann, nicht durch eine Änderung der Funktion des reifen Genprodukts, sondern durch Variation des Expressionsniveaus des Produkts. Eine unerwünschte Auf-oder Abregulierung eines Gens kann schwerwiegende Folgen haben; und wenn es unglücklich genug ist, in einem Gen zu vorkommen, das wiederum die Expression oder Aktivität anderer Gene steuert, kann eine ganze Reihe von Genen ihre Spiegel durch eine einzelne Nukleotidänderung verändern., In fast allen Fällen ist das nicht das Beste und eine solche Veränderung führt zu einem Krankheitszustand.
Der Leser wird sich daran erinnern, dass wir diesen Abschnitt damit begonnen haben, dass ein Promotor immer direkt vor einem Gen steht. Der Abstand zwischen dem Promotor und der Transkriptionsstartstelle (wo das erste RNA—Nukleotid in einem entstehenden Transkript festgelegt wird) ist ebenfalls wichtig, so dass Insertions—oder Deletionsmutationen-auch solche, die keine spezifischen TF-Bindungsstellen direkt verändern-das Genexpressionsniveau beeinflussen können. Ein Beispiel dafür, das allen Lesern sofort bekannt ist, wäre die Huntington-Krankheit., Hier liegt ein instabiles genetisches Element zwischen dem Promotor und der Transkriptionsstartstelle. Normalerweise ist der Abstand akzeptabel und es werden ausreichende Mengen der Huntington-Gen-mRNA transkribiert; Während der Zellreplikation kann das instabile Element jedoch zusätzliche DNA einführen, wodurch der Promotor vom Anfang des Gens weg bewegt wird. Da dies geschieht,ist der Promotor weniger effizient beim Fahren Transkription und Transkript Ebenen fallen., Wenn die Insertion klein ist und der Expressionsabfall gering ist, tritt keine offene Krankheit auf, aber sie wird als „Träger“ – Zustand angesehen, in dem die weitere Expansion die Genexpression unter das für die normale Funktion erforderliche Niveau senkt und die Krankheitspathologie zu Ergebnissen führt. (Träger in diesem Sinne ist nicht streng identisch mit der Bedeutung in der Mendelschen Genetik, also die Anführungszeichen.,)
Das Endergebnis ist, dass für jedes Gen nicht nur die kodierende Abschnittssequenz wichtig für die ordnungsgemäße Funktion ist, sondern es gibt immer eine benachbarte Promotorregion, die anfällig für Mutationen ist, die schwerwiegende klinische Auswirkungen haben können. Ein Gen könnte eine perfekte Wildtyp-Codierungssequenz haben und dennoch nicht wie erforderlich funktionieren.
Enhancer und Repressoren
Die gute Nachricht über Promotoren ist, dass wir wissen, wo sie zu finden sind., In der Tat können wir durch Sequenzierung und Untersuchung einer großen Anzahl von ihnen in verschiedenen Kontexten und Identifizierung der verschiedenen TFs, die ihre Bindungsstellen und ihre Liganden binden, Promotoren nach Belieben finden und im richtigen Kontext sogar manipulieren, um Dinge zu tun wie gewebespezifische Genexpression erzeugen.
Enhancer und Repressoren sind jedoch anspruchsvoller. Dies sind DNA-Sequenzelemente, die auch Genexpressionsniveaus modulieren können (nach oben für Enhancer und nach unten für Repressoren, wie man vermuten könnte)., Wie Promotoren sind sie kurze (50-1. 000) Basenpaarelemente und innerhalb dieses Elements Bindungsstellen (oft als wiederholte Kopien) für Proteine, die die Transkriptionsraten in nahe gelegenen Genen beeinflussen können. Es gibt jedoch einen absichtlich vagen Begriff, da er bis zu 1 Million Basenpaare von dem Gen entfernt sein kann, das er beeinflusst, und sie können entweder stromaufwärts oder stromabwärts—dh 5′ oder 3’—zum Gen sein. Sie sind zumindest auf die Wirkung in cis oder mit anderen Worten auf demselben zusammenhängenden Chromosom wie das Gen beschränkt, aber die Identifizierung in Beziehung zu einem bestimmten Gen kann eine Herausforderung sein., Betrachtet man den Fall einer hypothetischen Enhancer-Sequenz, wäre das Auffinden unerwartet niedriger Expressionsniveaus eines ansonsten intakten Gens mit scheinbar normaler Promotorsequenz der erste Hinweis darauf, dass Enhancer-Sequenzen beteiligt sein könnten. Wenn eine Reihe solcher Fälle gefunden werden könnte und die genomische Region, die das betroffene Gen flankiert, sequenziert werden kann, wäre die Identifizierung von Bereichen der genetischen Veränderung vom Wildtyp, die in diesen Fällen gemeinsam sind, ein Ort, um nach Verstärkerelementen zu suchen. Es wird erwartet, dass eine Schädigung (Sequenzänderung oder-deletion) dieser Zellen die Genexpression verringert., Das Spiegelbild davon ist gewissermaßen ein Repressor, der die gleichen Eigenschaften aufweist, aber in seinem normalen Zustand die Expression des Gens reduziert. Mutationen an einer Repressorstelle führen dann zu einer unerwünschten Hochregulation der Genexpression.
Wie funktionieren Enhancer und Repressoren über so große Entfernungen hinweg—und vielleicht noch interessanter, wie sind sie spezifisch? Das heißt, ein Enhancer oder Repressor wirkt normalerweise auf ein bestimmtes distales Gen, jedoch können andere Gene in der Nähe des beeinflussten Gens nicht beeinflusst werden., Die Antwort darauf ist vielleicht etwas enttäuschend, da es nichts Erstaunliches gibt; Die Antwort ist, weil der Enhancer oder Repressor räumlich nicht weit von dem Gen entfernt ist, das er reguliert. Mit anderen Worten, Enhancer und Repressoren können aufgrund der Chromatinorganisation an sequentiell distalen Zielen arbeiten. Durch Umwickeln und Verdichten von Chromosomen, um in einen Zellkern zu passen, können entfernte Sequenzelemente physikalisch nebeneinander angeordnet werden, so dass ein Protein, das ein Sequenzelement bindet, ein anderes direkt berührt und beeinflusst., Der kluge Leser wird jedoch feststellen, dass, damit dies zuverlässig funktioniert, Die Genverpackung und-organisation reproduzierbar erfolgen muss, so dass sich die beiden Chromosomenabschnitte in der Nähe befinden können. Ein noch klugerer Leser könnte weiter vermuten, dass man sich, wenn sich die Chromosomenorganisation und-verpackung während der Schritte des Zellzyklus zuverlässig ändert, Enhancer oder Repressoren vorstellen könnte, die nur zu bestimmten Zeiten Einfluss ausüben können.,
Schlussfolgerung
Die Botschaft von alledem lautet: Nein, es ist nicht nur die kodierende Sequenz eines bestimmten Gens, die mutieren und die biologische Funktion des Gens beeinflussen kann. Dies hat mögliche Auswirkungen auf die relativen Informationen, die von ganzen Genomsequenzierungsprojekten im Vergleich zu ganzen Exomsequenzierungsprojekten getragen werden—aber das ist ein Thema für einen weiteren Monat.
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