Nell’episodio di questo mese, rivisiteremo un argomento a cui la maggior parte—forse anche tutti—i lettori sono stati esposti in qualche corso di laurea lontano, ma forse non molto in profondità o con il suo significato per le malattie genetiche umane reso molto chiaro al di fuori di alcuni casi speciali. Ecco un rapido test: considera la domanda: “Le mutazioni in o direttamente adiacenti alle regioni codificanti dei geni sono le uniche che possono portare a stati di malattia?”Se la tua reazione immediata è rispondere a questo con un “Sì”, questo articolo è per te., (Se hai risposto “No”, potresti voler leggere comunque e vedere se la tua logica è giusta!)
Torniamo ad alcuni biologia molecolare molto di base.,ome contiene i geni, che sono regioni di DNA che vengono trascritti di RNA; in alcuni casi questo RNA di per sé è direttamente funzionale (cose come trna o 18S componente del ribosoma, per esempio), ma nella maggior parte dei casi, l’RNA è un mRNA, il compimento di una sequenza di codificazione della proteina che è tradotto da ribosomiale macchine in un legame covalente è collegato serie di aminoacidi di una proteina che, per la natura delle varie catena laterale di prodotti chimici e loro elettrostatica, legame a idrogeno, interazioni idrofobiche e pieghe fino ad un termodinamico dell’energia ai minimi di stato per creare un enzima funzionale o strutturale di proteine., Mutazioni—modifiche alla sequenza del DNA—all’interno di questa regione codificante sono statisticamente probabile causa di modifiche indesiderate di funzione della proteina finale del prodotto, anche se “probabilmente” c’è un promemoria che tali mutazioni possono essere silenzioso (nel senso di non causare una sequenza della proteina di cambiare), non dannoso (causando un cambiamento che non hanno un impatto significativo), o anche forse vantaggiosa, producendo una biologicamente più in forma del prodotto.,
Quello che quel riassunto compresso di circa due anni di corsi di biologia undergrad omette, è che questi geni in un DNA non si trascrivono magicamente in RNA da soli. Tenendo presente che solo una piccola frazione del genoma umano trasporta geni reali come definito sopra, esistono altri elementi di sequenza del DNA il cui unico ruolo è quello di segnare dove i geni sono, e per controllare il loro livello di espressione (trascrizione a RNA)., Ci sono tre tipi particolarmente significativi di questi elementi di controllo, chiamati promotori, potenziatori e repressori; e come vedremo di seguito, le mutazioni in uno di questi possono avere effetti gravi (o peggiori) rispetto alle mutazioni nelle sequenze codificanti.
Promotori: il gatekeeper prossimale per un gene
I promotori sono sequenze relativamente brevi (approssimativamente da 100 a 1.000 coppie di basi di lunghezza) che si trovano sempre direttamente a monte (5’, rispetto al filamento di codifica del DNA) del gene che controllano (“drive”, nel linguaggio usuale)., Queste sequenze contengono elementi che reclutano nelle RNA polimerasi responsabili della trascrizione del gene. Molto semplicisticamente, se una particolare sequenza di promotore definita in un particolare tipo di cellula e impostazione è al massimo efficiente nel reclutare RNA polimerasi-chiamiamola attività al 100% – allora possono verificarsi variazioni nella sequenza che riducono questa attività (meno RNA è fatto per unità di tempo)., Alcuni cambiamenti sono più dirompenti di altri, e nelle combinazioni non è difficile immaginare come le variazioni da una sequenza di promotori “migliori” possano portare a un potenziale per una gamma uniforme di tassi di espressione basale, da sub 1 per cento a piena espressione 100 per cento. Questa è una grande cosa dal punto di vista di una cellula, perché consente a diversi geni di avere i loro livelli di espressione adattati alla quantità di prodotto genico necessario allo stato stazionario.
Aggiungendo (letteralmente) uno strato di complessità qui è che i promotori non legano direttamente l’RNA polimerasi., Invece, contengono sub-sequenze più brevi, che sono riconosciute come siti di legame per una classe di proteine note come fattori di trascrizione (TFS); ce ne sono molti di questi, ognuno con il proprio sito di legame preferito della sequenza del DNA (di solito breve, 10-20 coppie di basi) e il proprio livello di capacità di reclutare nella RNA polimerasi. Molti hanno anche, direttamente o indirettamente, siti di legame allosterici (secondari) in cui ligandi come metaboliti o ormoni possono legarsi e influenzare il livello di attività del fattore di trascrizione., In effetti, è la complessa interazione di tutti questi diversi fattori di trascrizione e dei loro ligandi modulanti che è al centro di come vengono definiti diversi tipi di cellule, e un epatocita si comporta in modo diverso rispetto a una cellula epiteliale nonostante entrambi abbiano lo stesso DNA—stanno “ricevendo segnali diversi”—che controllano i loro livelli di espressione relativi di vari geni.,
È facile capire allora come una mutazione all’interno di un promotore, cambiando un sito di legame TF, può portare a problemi non attraverso un cambiamento nella funzione del prodotto gene maturo, ma attraverso la variazione del livello di espressione del prodotto. La regolazione indesiderabile su o giù di un gene può avere gravi conseguenze; e se è abbastanza sfortunato accadere in un gene che a sua volta controlla l’espressione o l’attività di altri geni, un intero insieme di geni può avere i loro livelli alterati da un singolo cambiamento nucleotidico., In quasi tutti i casi, non è per il meglio e un tale cambiamento si traduce in uno stato di malattia.
Il lettore ricorderà che abbiamo iniziato questa sezione affermando che un promotore è sempre direttamente a monte di un gene. Anche la spaziatura tra il promotore e il sito di inizio trascrizionale (dove il primo nucleotide di RNA sarà stabilito in una trascrizione nascente) è importante, quindi le mutazioni di inserimento o delezione—anche quelle che non modificano direttamente alcun sito specifico di legame TF—possono influenzare il livello di espressione genica. Un esempio di questo immediatamente familiare a tutti i lettori sarebbe la malattia di Huntington., Qui, un elemento genetico instabile si trova tra il promotore e il sito di inizio trascrizionale. Normalmente la spaziatura è accettabile e livelli sufficienti dell’mRNA del gene Huntington vengono trascritti; tuttavia durante la replicazione cellulare l’elemento instabile può avere DNA aggiuntivo inserito, allontanando il promotore dall’inizio del gene. Come questo accade, il promotore è meno efficiente a guidare i livelli di trascrizione e trascrizione caduta., Se l’inserzione è piccola e il calo dell’espressione è basso, la malattia palese non si verifica ma è considerata uno stato “vettore”, in cui un’ulteriore espansione scenderà l’espressione genica al di sotto dei livelli richiesti per la normale funzione e i risultati della patologia della malattia. (Vettore in questo senso non è strettamente identico al significato nella genetica mendeliana, quindi le virgolette.,)
La linea di fondo è che per ogni gene, non solo la sequenza della sezione di codifica è importante per il corretto funzionamento, ma c’è sempre una regione promotrice adiacente che è suscettibile di mutazioni che possono avere gravi ripercussioni cliniche. Un gene potrebbe avere una perfetta sequenza di codifica wild type e tuttavia non funzionare come necessario.
Potenziatori e repressori
La buona notizia sui promotori è che sappiamo dove trovarli., Infatti, sequenziando ed esaminando un gran numero di loro in vari contesti e identificando i vari TFS che legano i loro siti di legame e i loro ligandi, capiamo, possiamo trovare, e nel giusto contesto, persino manipolare i promotori a volontà per fare cose come creare un’espressione genica specifica del tessuto.
Potenziatori e repressori tuttavia sono più impegnativi. Questi sono elementi di sequenza del DNA che possono anche modulare i livelli di espressione genica (verso l’alto per gli esaltatori e verso il basso per i repressori, come si potrebbe immaginare)., Come i promotori, sono brevi (50-1.000) elementi di coppia di basi, e all’interno di questo elemento porteranno siti di legame (spesso, come copie ripetute) per proteine che possono influenzare i tassi di trascrizione a geni vicini. Nelle vicinanze è un termine intenzionalmente vago però, in quanto può variare fino a 1 milione di coppie di basi di distanza dal gene che influenza, e possono essere sia a monte o a valle—che è, 5’ o 3’—al gene. Sono almeno limitati all’azione in cis o in altre parole, sullo stesso cromosoma contiguo del gene, ma identificarli in relazione a un particolare gene può essere impegnativo., Considerando il caso di un’ipotetica sequenza di enhancer, trovare livelli di espressione inaspettatamente bassi di un gene altrimenti intatto con sequenza di promotore apparentemente normale sarebbe il primo indizio che le sequenze di enhancer potrebbero essere coinvolte. Se un certo numero di tali casi potrebbe essere trovato e regione genomica che fiancheggia il gene influenzato può essere sequenziato, identificazione di eventuali aree di cambiamento genetico da tipo selvaggio in comune tra questi casi sarebbe un posto per cercare elementi enhancer. Ci si aspetta che il danno (alterazione o delezione della sequenza) di questi riduca l’espressione genica., L’immagine speculare di questo in un certo senso è un repressore, che condivide le stesse caratteristiche ma che nel suo stato normale riduce l’espressione del gene. Le mutazioni in un sito di repressore causano quindi una sovraregolazione indesiderabile nell’espressione genica.
Come funzionano gli enhancer e i repressori su distanze così grandi—e forse più interessante, come sono specifici? Cioè, un potenziatore o un repressore di solito agisce su un particolare gene distale, ma altri geni vicini a quello influenzato potrebbero non essere influenzati., La risposta a questo è forse un po ‘ deludente, in quanto non c’è nulla di sorprendente; la risposta è, perché l’enhancer o repressore non è, spazialmente, lontano dal gene che regola. In altre parole, potenziatori e repressori sono in grado di lavorare su bersagli distali sequenzialmente a causa dell’organizzazione della cromatina. Avvolgendo e compattando i cromosomi per adattarsi all’interno di un nucleo cellulare, gli elementi di sequenza distanti possono essere posizionati fisicamente adiacenti l’uno all’altro in modo tale che una proteina che lega un elemento di sequenza tocchi e influenzi direttamente un altro., Il lettore astuto noterà tuttavia che affinché questo funzioni in modo affidabile, l’imballaggio e l’organizzazione del gene devono avvenire in modo riproducibile in modo tale che le due sezioni cromosomiche possano essere considerate in prossimità. Un lettore ancora più astuto potrebbe inoltre intuire che se l’organizzazione cromosomica e l’imballaggio cambiano in modo affidabile durante le fasi del ciclo cellulare, si potrebbero immaginare potenziatori o repressori che possono esercitare influenza solo in momenti specifici.,
Conclusione
Il messaggio da portare a casa da tutto quanto sopra è che no, non è solo la sequenza di codifica di un dato gene che può mutare e influenzare la funzione biologica del gene. Ciò ha possibili implicazioni per le informazioni relative trasportate dal sequenziamento dell’intero genoma rispetto ai progetti di sequenziamento dell’intero esoma, ma questo è un argomento per un altro mese.
Lascia un commento