in de aflevering van deze maand gaan we een onderwerp opnieuw bespreken waaraan de meeste—mogelijk zelfs alle—lezers werden blootgesteld in een verre undergraduate cursus, maar mogelijk niet in veel diepte of met zijn betekenis voor menselijke genetische ziekten heel duidelijk gemaakt buiten een paar speciale gevallen. Hier is een snelle test: overweeg de vraag: “zijn mutaties in of direct grenzend aan coderende gebieden van genen de enige die waarschijnlijk leiden tot ziektestaten?”Als je onmiddellijke reactie is om dit te beantwoorden met een” ja”, is dit artikel voor jou., (Als je antwoord “nee,” je zou willen om verder te lezen hoe dan ook en kijk of je logica klopt!)
laten we teruggaan naar enkele zeer fundamentele moleculaire biologie.,ome bevat genen, die zijn gebieden van het DNA die worden overgeschreven naar RNA; in sommige gevallen is dit RNA is zelf rechtstreeks functionele (dingen als ongeladen trna ‘ s reageert of de 18 jaar onderdeel van de ribosomen, bijvoorbeeld), maar in de meeste gevallen, de RNA is een mRNA, het dragen van een eiwit coderende sequentie die is vertaald door de ribosomaal machines in een covalent verbonden reeks van aminozuren—een eiwit dat door de aard van de verschillende side-chain chemicaliën en hun elektrostatische, waterstof bond, en hydrofobe interacties plooien tot een thermodynamische energie minima staat tot het maken van een functioneel enzym of structurele eiwitten., Mutaties-veranderingen in de onderliggende DNA-sequentie – binnen elk van deze codeerregio zijn statistisch waarschijnlijk ongewenste veranderingen in de functie in het uiteindelijke eiwitproduct veroorzaken, hoewel “waarschijnlijk” er een herinnering is dat dergelijke mutaties stil kunnen zijn (wat betekent dat ze geen verandering in de eiwitsequentie veroorzaken), of niet schadelijk (een verandering veroorzaken die geen significante impact heeft), of zelfs mogelijk voordelig, wat een biologisch meer geschikt product oplevert.,
wat in de gecomprimeerde samenvatting van ongeveer twee jaar aan bacheloropleidingen biologie weglaat, is dat deze genen in het DNA niet alleen op magische wijze transcriberen naar RNA. Rekening houdend met het feit dat slechts een kleine fractie van het menselijk genoom feitelijke genen zoals hierboven gedefinieerd draagt, bestaan er andere elementen van de DNA-opeenvolging waarvan enige rol is om te markeren waar genen zijn, en om hun niveau van expressie (transcriptie aan RNA) te controleren., Er zijn drie bijzonder significante types van deze controle-elementen, genaamd promotors, enhancers, en onderdrukkers; en zoals we hieronder zullen zien, kunnen mutaties in een van deze effecten even ernstig (of erger) effecten hebben dan mutaties in coderende sequenties.
promotors: de proximale poortwachter voor een gen
promotors zijn relatief korte sequenties (ongeveer 100 tot 1.000 basenparen in lengte) die altijd direct stroomopwaarts worden aangetroffen (5′, met betrekking tot de DNA-codeerstreng) van het gen dat zij controleren (“drive,” in gebruikelijke taal)., Deze opeenvolgingen bevatten elementen die in de polymerases van RNA verantwoordelijk voor het transcriberen van het gen rekruteren. Zeer simplistisch, als een bepaalde gedefinieerde promotorsequentie in een bepaald celtype en instelling maximaal efficiënt is bij het werven van RNA-polymerase-laten we dat 100 procent activiteit noemen-dan kunnen variaties in de sequentie optreden die deze activiteit verminderen (minder RNA wordt gemaakt per tijdseenheid)., Sommige veranderingen zijn meer storend dan andere, en in combinaties is het niet moeilijk voor te stellen hoe variaties van een “beste” promotorsequentie kunnen leiden tot potentieel voor een glad bereik van basale expressiesnelheden, van sub 1 procent tot volledige 100 procent expressie. Dat is geweldig vanuit het standpunt van een cel, omdat het verschillende genen toestaat om hun expressieniveaus af te stemmen op de steady state hoeveelheid genproduct die nodig is.
Het toevoegen van (letterlijk) een laag van complexiteit hier is dat promotors niet direct binden RNA-polymerase., In plaats daarvan, bevatten zij kortere sub-opeenvolgingen, die als bindende plaatsen voor een klasse van proteã nen worden erkend als transcriptiefactoren (TFs) wordt bekend; er zijn een groot velen van deze, elk met hun eigen aangewezen plaats van de opeenvolging van DNA band (gewoonlijk korte, 10-20 basisparen) en hun eigen niveau van capaciteit om in de polymerase van RNA te werven. Velen hebben ook, of direct of indirect, allosteric (secundaire) bandplaatsen waar ligands zoals metabolites of hormonen het niveau van activiteit van de transcriptiefactor kunnen binden en beïnvloeden., In feite, is het de complexe interactie van al deze verschillende transcriptiefactoren en hun modulerende liganden die in de kern van hoe verschillende celtypes worden gedefinieerd is, en een hepatocyte gedraagt zich anders dan een epitheliale cel ondanks beide het hebben van hetzelfde DNA—zij “ontvangen verschillende signalen”—die hun relatieve uitdrukkingsniveaus van diverse genen controleren.,
Het is dan gemakkelijk te begrijpen hoe een mutatie binnen een promotor, die een tf-bindingsplaats verandert, tot problemen kan leiden, niet door een verandering in de functie van het volwassen genproduct, maar door variatie in het expressieniveau van het product. Ongewenste op-of neerwaartse regulatie van een gen kan ernstige gevolgen hebben; en als het ongelukkig genoeg gebeurt in een gen dat op zijn beurt de expressie of activiteit van andere genen controleert, kan een hele reeks genen hun niveaus veranderen door een enkele nucleotide verandering., In bijna alle gevallen is dat niet het beste en zo ‘ n verandering resulteert in een ziektetoestand.
de lezer zal zich herinneren dat we deze sectie begonnen met te stellen dat een promotor altijd direct voor een gen staat. De afstand tussen de promotor en de transcriptionele startplaats (waar het eerste RNA—nucleotide in een ontluikend transcript zal worden vastgelegd) is ook belangrijk, zodat insertie—of deletiemutaties-zelfs degenen die geen specifieke TF-bindingsplaatsen direct veranderen-het genuitdrukkingsniveau kunnen beïnvloeden. Een voorbeeld hiervan dat alle lezers onmiddellijk kennen, zou de ziekte van Huntington zijn., Hier, ligt een onstabiel genetisch element tussen de promotor en de transcriptional beginplaats. Normaal gesproken is het uit elkaar plaatsen aanvaardbaar en worden voldoende niveaus van het Huntington-gen mRNA getranscribeerd; echter tijdens de celreplicatie kan het onstabiele element extra DNA hebben ingebracht, waardoor de promotor van het begin van het gen wordt verplaatst. Als dit gebeurt, de promotor is minder efficiënt in het besturen van transcriptie en transcript niveaus dalen., Als de toevoeging klein is en de daling in uitdrukking laag is, komt de openlijke ziekte niet voor maar het wordt beschouwd als een” dragerstaat”, waar de verdere uitbreiding genuitdrukking onder niveaus zal dalen die voor normale functie, en de resultaten van de ziektepathologie worden vereist. (Drager in deze zin is niet strikt identiek aan de betekenis in Mendeliaanse genetica, dus de aanhalingstekens.,)
De bottom line is dat Voor elk gen, niet alleen de codering sectie sequentie belangrijk is voor de juiste functie, maar er is altijd een aangrenzende promotor regio die gevoelig is voor mutaties die ernstige klinische repercussies kunnen hebben. Een gen kan een perfecte wild type codering sequentie hebben en toch niet functioneren als dat nodig is.
versterkers en onderdrukkers
het goede nieuws over promotors is dat we weten waar ze te vinden zijn., In feite, door het rangschikken en onderzoeken van grote aantallen van hen in verschillende contexten, en het identificeren van de verschillende TFs die hun bindingsplaatsen en hun liganden binden, begrijpen we, kunnen vinden, en in de juiste context, zelfs manipuleren promotors naar believen om dingen te doen zoals het creëren van weefsel specifieke genexpressie.
versterkers en onderdrukkers zijn echter een grotere uitdaging. Dit zijn de opeenvolgingselementen van DNA die de niveaus van de genuitdrukking ook kunnen moduleren (naar boven voor versterkers, en naar beneden voor onderdrukkers, zoals men zou kunnen raden)., Net als promotors, zijn zij korte (50-1.000) basispaarelementen,en binnen dit element zal bindingsplaatsen (vaak, zoals herhaalde exemplaren) voor proteã nen dragen die transcriptietarieven bij nabijgelegen genen kunnen beà nvloeden. Dichtbij is een opzettelijk vage term echter, omdat het kan variëren tot 1 miljoen basenparen weg van het gen dat het beïnvloedt, en ze kunnen ofwel stroomopwaarts of stroomafwaarts—dat wil zeggen, 5′ of 3’—tot het gen. Ze zijn op zijn minst beperkt tot actie in cis of met andere woorden, op hetzelfde aangrenzende chromosoom als het gen, maar het identificeren van hen in relatie tot een bepaald gen kan uitdagend zijn., Gezien het geval van een hypothetische enhancer sequentie, het vinden van onverwacht lage expressieniveaus van een anders intact gen met blijkbaar normale promotor sequentie zou de eerste aanwijzing dat enhancer sequenties kunnen worden betrokken. Als een aantal van dergelijke gevallen kon worden gevonden en het genomic gebied flankerend het beà nvloede gen kan worden gerangschikt, zou de identificatie van om het even welke gebieden van genetische verandering van wild type gemeenschappelijk onder deze gevallen een plaats zijn om versterkerelementen te zoeken. Schade (sequentie wijziging of deletie) van deze zou worden verwacht om genexpressie te verminderen., Het spiegelbeeld hiervan is in zekere zin een onderdrukker, die dezelfde kenmerken heeft, maar die in zijn normale toestand de expressie van het gen vermindert. De veranderingen op een repressorplaats veroorzaken dan een ongewenste upregulation in genuitdrukking.
Hoe werken versterkers en onderdrukkers over zulke grote afstanden—en misschien interessanter, hoe is het dat ze specifiek zijn? Dat wil zeggen, een versterker of onderdrukker zal meestal werken op een bepaald distale gen, maar andere genen in de buurt van de ene beïnvloed kan niet worden beïnvloed., Het antwoord hierop is misschien wat teleurstellend, omdat er niets verbazingwekkends is; het antwoord is, omdat de versterker of onderdrukker ruimtelijk niet ver verwijderd is van het gen dat het reguleert. Met andere woorden, kunnen de versterkers en de onderdrukkers aan opeenvolgende distale doelstellingen werken toe te schrijven aan chromatin organisatie. Door chromosomen te verpakken en te comprimeren om binnen een celkern te passen, kunnen de verre opeenvolgingselementen fysiek naast elkaar worden geplaatst zodanig dat een eiwitbindend één opeenvolgingselement direct een ander raakt en beà nvloedt., De scherpzinnige lezer zal echter opmerken dat om dit betrouwbaar te laten werken, de genverpakking en organisatie reproduceerbaar zodanig moeten voorkomen dat de twee chromosoomsecties kunnen worden ingeroepen om in nabijheid te zijn. Een nog scherpere lezer zou verder kunnen raden dat als chromosoom organisatie en verpakking verandert op een betrouwbare manier tijdens stappen van de celcyclus, men zou kunnen voorstellen enhancers of onderdrukkers die alleen invloed kunnen uitoefenen op specifieke tijden.,
conclusie
Het mee naar huis nemen bericht van al het bovenstaande is dat nee, het is niet alleen de codering sequentie van een bepaald gen dat kan muteren en invloed biologische functie van het gen. Dit heeft mogelijke implicaties voor de relatieve informatie die door het gehele genoom wordt gedragen die versus het gehele exome rangschikken van projecten rangschikken—maar dat is een onderwerp voor een andere maand.
Geef een reactie