I denne månedens episode, vi kommer til å besøke et tema som de fleste—kanskje alle—lesere ble utsatt for i noen langt lavere grads studium, men muligens ikke i mye dybde, eller med dennes betydning for menneskets genetiske sykdommer gjort veldig klart utenfor et par spesielle tilfeller. Her er en rask test: vurdere spørsmålet, «Er mutasjoner i eller i direkte tilknytning til koding regioner av gener som er de eneste som trolig kommer til å føre til sykdom stater?»Hvis din umiddelbare reaksjon er å svare på dette med en «Ja», er dette artikkelen for deg., (Hvis du svarte «Nei,» kan du lese på uansett og se hvis din logikk er riktig!)
La oss gå tilbake til noen veldig grunnleggende molekylær biologi.,ome inneholder gener, som er områder av DNA som blir transkribert til RNA, og i noen tilfeller er dette RNA er i seg selv direkte funksjonell (ting som tRNAs eller 18S del av ribosomet, for eksempel), men i de fleste tilfeller, RNA er en mRNA, bærer en protein-kodende sekvens som er oversatt av ribosom-maskiner i en kovalent bundet serien av aminosyrer i et protein—som av natur variert side kjede kjemi og deres elektrostatisk, hydrogen bond, og hydrofobe interaksjoner kaster opp til en termodynamisk energi minima stat for å skape et funksjonelt enzym eller strukturelle proteiner., Mutasjoner—endringer i den underliggende DNA-sekvens—i noen av denne kodingen regionen er statistisk sannsynlighet for å forårsake uønskede endringer av funksjon i den endelige protein produktet, selv om «sannsynlig» det er en påminnelse om at slike mutasjoner kan være stille (dette betyr ikke forårsaker et protein sekvens endre), eller ikke er skadelig (forårsaker en endring som ikke har signifikant effekt), eller muligens en fordel, noe som gir en mer biologisk passer produktet.,
Hva som komprimert sammendrag av to år igjen av undergrad biologi kurs utelater, er at disse genene i de DNA-ikke på magisk vis bare transkribere til RNA på sine egne. Med tanke på at bare en liten brøkdel av det humane genom bærer faktiske gener som definert ovenfor, kan det finnes andre DNA-sekvens elementer som eneste rolle er å markere hvor gener er, og til å kontrollere nivået av uttrykk (transkripsjon til RNA)., Det finnes tre spesielt viktige typer av disse kontroll-elementer, kalt arrangører, enhancers, og repressors, og som vi vil se nedenfor, mutasjoner i noen av disse kan ha virkninger som alvorlig (eller verre) enn mutasjoner i kodende sekvenser.
Arrangører: den proksimale gatekeeper for et gen
Arrangører er relativt korte sekvenser (omtrent 100 til 1000 base-par i lengde) har alltid funnet direkte oppstrøms (5′, med hensyn til DNA-koding strand) av genet de kontroll («drive» i vanlig språkbruk)., Disse sekvensene inneholder elementer som rekrutterer i RNA polymerases ansvarlig for å transkribere genet. Svært skjematisk, hvis en bestemt definert promotersekvens i en bestemt celle type og innstillingen er maksimalt effektiv på å rekruttere RNA-polymerase—la oss kalle det 100 prosent aktivitet—da variasjoner i den rekkefølgen som kan oppstå som reduserer denne aktiviteten (mindre RNA er gjort per tidsenhet)., Noen endringer er mer forstyrrende enn andre, og i kombinasjoner det er ikke vanskelig å forestille seg hvordan variasjoner fra et «beste» promotersekvens kan føre til potensialet for en jevn utvalg av basal uttrykk priser, fra under 1% til en full 100 prosent uttrykk. Det er en stor ting fra en celle ‘ s ståsted, fordi det gjør det mulig for ulike gener å ha sine uttrykk nivåer skreddersydd til steady state mengden av genet produktet er nødvendig.
Legge til (bokstavelig talt) et lag av kompleksitet her er at arrangørene ikke direkte binder RNA polymerase., I stedet, de inneholder kortere sub-sekvenser, som er anerkjent som bindende områder for en klasse av proteiner kjent som transkripsjonfaktorer (TFs); det er veldig mange av disse, hver med sin egen foretrukne DNA-sekvens bindende nettstedet (vanligvis korte, 10-20 base-par) og sitt eget nivå av evne til å rekruttere i RNA-polymerase. Mange har også, enten direkte eller indirekte, allosteric (sekundær) bindende områder der ligander som metabolitter eller hormoner kan binde og påvirke transkripsjonsfaktor er nivået av aktivitet., Faktisk, det er det komplekse samspillet av alle disse forskjellige transkripsjon faktorer og deres modulerende ligander som er kjernen i hvordan ulike celletyper er definert, og en hepatocyte oppfører seg annerledes enn en epithelial celle til tross for at begge har samme DNA—de er «motta forskjellige signaler»—som styrer deres relative uttrykket nivåer av ulike gener.,
Det er lett å forstå hvordan en mutasjon i en søker, endrer en TF bindende nettstedet, kan det føre til problemer, ikke gjennom en endring i funksjon av modne genet produkt, men gjennom variasjon i uttrykk nivå av produktet. Uønsket enten opp eller ned regulering av et gen som kan ha alvorlige konsekvenser, og hvis det er uheldig nok til å skje i et gen som i sin tur styrer uttrykk eller aktivitet av andre gener, et helt sett av gener som kan ha sine nivåer endret ved et enkelt nukleotid endre., I nesten alle tilfeller, det er ikke den beste og en slik endring medfører en sykdom tilstand.
leseren vil huske at vi begynte dette avsnittet med å si at en søker er alltid direkte oppstrøms av et gen. Avstanden mellom arrangøren og den transcriptional start stedet (der dette er første RNA-nukleotid vil bli lagt ned i en begynnende avskrift) er også viktig, så innsetting eller sletting mutasjoner—også de som ikke direkte endre noen bestemt TF bindende områder—kan påvirke genuttrykk nivå. Et eksempel på dette umiddelbart kjenne til alle lesere ville være Huntington ‘ s Sykdom., Her, i en ustabil genetisk element ligger mellom arrangøren og den transcriptional start nettstedet. Normalt avstanden er akseptabelt og tilstrekkelige nivåer av Huntington-genet mRNA er transkribert, men i løpet av cellen replikering den ustabilt element kan ha ekstra DNA er satt inn, flytte arrangøren bort fra starten av genet. Som dette skjer, arrangøren er mindre effektive på kjøring transkripsjon og karakterutskrift nivåer falle., Hvis innsetting er små og slipp i uttrykket er lav, utilslørt sykdommen ikke forekommer, men det er ansett som en «carrier» – tilstand, der ytterligere utvidelse vil slippe genuttrykk nedenfor nivåer er nødvendig for normal funksjon, og sykdommen patologi resultater. (Carrier i denne forstand er ikke strengt identisk med den mening i Mendelian genetikk, og dermed anførselstegn.,)
poenget er at for hvert gen, ikke bare er den kodende delen sekvens viktig for riktig funksjon, men det er alltid en tilstøtende promoter-regionen som er utsatt for mutasjoner som kan ha alvorlige kliniske konsekvenser. Et gen kan ha en perfekt wild-type koding rekkefølge, og ennå ikke fungere som trengs.
Enhancers og repressors
De gode nyhetene om arrangører er at vi vet hvor du finner dem., Faktisk, ved sekvensering, og å undersøke et stort antall av dem i ulike sammenhenger, og til å identifisere ulike TFs som binder deres bindende nettsteder og deres ligander, vi forstår, kan finne, og i riktig kontekst, selv manipulere søkere på vilje til å gjøre ting som å lage vev bestemt gen uttrykk.
Enhancers og repressors imidlertid er mer utfordrende. Disse er DNA-sekvens elementer som også kan modulere genuttrykk nivåer (oppover for enhancers, og nedover for repressors, som man kanskje kan gjette)., Som arrangører, de er korte (50-1,000) base par elementer, og innenfor dette elementet vil bære bindende områder (ofte, som gjentatte kopier) for proteiner som kan påvirke transkripsjon priser på nærliggende gener. I nærheten ligger en bevisst vage begrepet om, så det kan variere opp til 1 million base par bort fra genet påvirker, og de kan være enten oppstrøms eller nedstrøms, som er 5′ eller 3’—til-genet. De er minst begrenset til handling i cis-eller med andre ord, på samme sammenhengende kromosom som genet, men å identifisere dem i forhold til et bestemt gen kan være utfordrende., Vurderer tilfelle av en hypotetisk enhancer rekkefølge, finne uventet lave uttrykk nivåer av en ellers intakt gen med tilsynelatende normal promotersekvens ville være første tegn på at enhancer sekvenser kan være involvert. Hvis en rekke slike tilfeller kunne bli funnet og genomisk regionen flankerer påvirket-genet kan være sekvensert, identifisering av alle områder av genetiske endringen fra wild skriv i vanlig blant disse tilfeller ville være et sted å lete etter enhancer elementer. Skade (sekvens endring eller sletting) av disse forventes å redusere genuttrykk., Speilet bilde av dette i en forstand er en repressor, som deler de samme egenskapene, men som i sin normale tilstand reduserer uttrykk av genet. Mutasjoner på en repressor siden da føre til en uønsket upregulation i genuttrykk.
Hvordan gjøre enhancers og repressors arbeid over slike enorme avstander—og kanskje mer interessant, hvordan er det at de er spesifikke? Det er en enhancer eller repressor vil vanligvis handle på en bestemt distale genet, men andre gener i nærheten av en som er påvirket kan ikke bli påvirket., Svaret på dette er kanskje litt skuffende, så det er ingenting fantastisk; svaret er, fordi enhancer eller repressor er ikke, romlig, langt borte fra genet den regulerer. Med andre ord, enhancers og repressors er i stand til å arbeide på sekvensielt distale mål på grunn av chromatin organisasjon. Ved pakking og komprimering av kromosomene til å passe inne i cellekjernen, fjernt rekkefølge elementer kan plasseres fysisk i tilknytning til hverandre, slik at et protein binding en sekvens element er direkte berører og påvirker hverandre., Gløgg leser vil imidlertid oppmerksom på at for å få dette til å fungere på en pålitelig måte, genet pakking og organisering må skje reproduserbarhet slik at de to kromosomene deler kan være lettelse opp på for å være i nærheten. En enda mer ivrig leser kan videre antar at hvis kromosom organisasjon og pakking endringer i en pålitelig mote under trinn av celle syklus, kan man kanskje forestille enhancers eller repressors som bare kan utøve innflytelse til bestemte tider.,
Konklusjon
ta med hjem melding fra alle de ovennevnte er at nei, det er ikke bare den kodende sekvensen av et gitt gen som kan mutere og påvirke biologiske funksjonen til genet. Dette har mulige implikasjoner for den relative informasjon utført av hele genom sekvensering vs hele exome sekvensering av prosjekter—men det er et emne for en annen måned.
Legg igjen en kommentar