w tym odcinku miesiąca, mamy zamiar powrócić do tematu—że większość—być może nawet wszyscy-czytelnicy byli narażeni na niektórych odległych studiów licencjackich, ale prawdopodobnie nie w dużej głębi lub z jego znaczenie dla ludzkich chorób genetycznych jasno określone poza kilku szczególnych przypadkach. Oto szybki test: rozważ pytanie: „czy mutacje w regionach kodujących geny lub bezpośrednio przylegające do nich są jedynymi, które mogą prowadzić do stanów chorobowych?”Jeśli twoja natychmiastowa reakcja to odpowiedź „Tak”, Ten artykuł jest dla Ciebie., (Jeśli odpowiedziałeś „nie”, możesz przeczytać dalej i sprawdzić, czy twoja logika jest słuszna!)
wróćmy do bardzo podstawowej biologii molekularnej.,ome zawiera geny, które są regionami DNA, które są transkrybowane do RNA; w niektórych przypadkach RNA sam jest bezpośrednio funkcjonalny (rzeczy takie jak Trna lub 18S Składnik rybosomu, na przykład), ale w większości przypadków RNA jest mRNA, niosąc sekwencję kodującą białko, która jest tłumaczona przez maszynerię rybosomalną na kowalencyjnie dołączoną serię aminokwasów—białko—które z natury różnych łańcuchów chemicznych i ich elektrostatycznych, wodorowych i hydrofobowych oddziaływań składa się do termodynamicznego stanu minima energii, aby stworzyć funkcjonalny łańcuch.enzym lub białko strukturalne., Mutacje-zmiany w podstawowej sekwencji DNA-w którymkolwiek z tych regionów kodowania są statystycznie prawdopodobne, aby spowodować niepożądane zmiany funkcji w końcowym produkcie białkowym, chociaż „prawdopodobne” istnieje przypomnienie, że takie mutacje mogą być ciche (co oznacza, że nie powodują zmiany sekwencji białka), lub nie szkodliwe (powodując zmianę, która nie ma znaczącego wpływu), lub nawet potencjalnie korzystne, dając biologicznie bardziej dopasowany produkt.,
to, co to skompresowane podsumowanie około dwóch lat studiów licencjackich biologii pomija, jest to, że te geny w jednym DNA nie tylko magicznie transkrypcji do RNA na własną rękę. Mając na uwadze, że tylko niewielka część ludzkiego genomu niesie rzeczywiste geny, jak zdefiniowano powyżej, istnieją inne elementy sekwencji DNA, których jedyną rolą jest zaznaczanie, gdzie znajdują się geny i kontrolowanie ich poziomu ekspresji (transkrypcja do RNA)., Istnieją trzy szczególnie znaczące typy tych elementów kontrolnych, zwane promotorami, wzmacniaczami i represorami; i jak zobaczymy poniżej, mutacje w każdym z nich mogą mieć skutki równie poważne (lub gorsze) niż mutacje w sekwencjach kodujących.
promotory: proximal gatekeeper dla genu
promotory są stosunkowo krótkimi sekwencjami (około 100 do 1000 par zasad w długości) zawsze znajdowanymi bezpośrednio przed (5′, w odniesieniu do nici kodującej DNA) genu, który kontrolują („napęd”, w zwykłym języku)., Sekwencje te zawierają elementy rekrutujące w polimerazach RNA odpowiedzialnych za transkrypcję genu. Bardzo uproszczone, jeśli określona określona sekwencja promotora w określonym typie komórki i ustawieniu jest maksymalnie skuteczna w rekrutacji polimerazy RNA-nazwijmy to 100 procentową aktywnością—wtedy mogą wystąpić zmiany w sekwencji, które zmniejszają tę aktywność (mniej RNA powstaje na jednostkę czasu)., Niektóre zmiany są bardziej uciążliwe niż inne, a w kombinacjach nietrudno wyobrazić sobie, w jaki sposób zmiany od „najlepszej” sekwencji promotora mogą prowadzić do możliwości płynnego zakresu podstawowych szybkości ekspresji, od poniżej 1 procent do pełnego 100 procent ekspresji. To świetna rzecz z punktu widzenia komórki, ponieważ pozwala różnym Genom mieć ich poziom ekspresji dostosowany do ilości produktu genowego w stanie ustalonym.
dodanie (dosłownie) warstwy złożoności polega na tym, że promotory nie wiążą bezpośrednio polimerazy RNA., Zamiast tego zawierają krótsze sub-sekwencje, które są rozpoznawane jako miejsca wiążące dla klasy białek znanych jako czynniki transkrypcyjne (TFs); istnieje wiele z nich, każdy z ich własnym preferowanym miejscem wiązania sekwencji DNA (zwykle krótkie, 10-20 par zasad) i ich własny poziom zdolności do rekrutacji w polimerazie RNA. Wiele z nich ma również, bezpośrednio lub pośrednio, allosteryczne (wtórne) miejsca wiązania, w których ligandy, takie jak metabolity lub hormony, mogą wiązać się i wpływać na poziom aktywności czynnika transkrypcyjnego., W rzeczywistości, to złożona interakcja wszystkich tych różnych czynników transkrypcyjnych i ich modulujących ligandów jest podstawą tego, jak różne typy komórek są definiowane, a hepatocyt zachowuje się inaczej niż komórka nabłonkowa pomimo tego samego DNA-są one ” odbiera różne sygnały— – które kontrolują ich względny poziom ekspresji różnych genów.,
łatwo zrozumieć, w jaki sposób mutacja wewnątrz promotora, zmiana miejsca wiązania TF, może prowadzić do problemów nie poprzez zmianę funkcji dojrzałego produktu genowego, ale poprzez zmianę poziomu ekspresji produktu. Niepożądane albo w górę lub w dół regulacji genu może mieć poważne konsekwencje; i jeśli to na tyle niefortunne, aby się zdarzyć w genie, który z kolei kontroluje ekspresję lub aktywność innych genów, cały zestaw genów mogą mieć ich poziomy zmienione przez zmianę pojedynczego nukleotydu., W prawie wszystkich przypadkach nie jest to najlepsze i taka zmiana powoduje stan choroby.
czytelnik przypomni sobie, że zaczęliśmy tę sekcję od stwierdzenia, że promotor jest zawsze bezpośrednio przed genem. Odstęp między promotorem a miejscem rozpoczęcia transkrypcji (gdzie pierwszy nukleotyd RNA zostanie ustanowiony w powstającej transkrypcji) jest również ważny, więc mutacje wstawiania lub delecji—nawet te, które nie zmieniają bezpośrednio żadnych konkretnych miejsc wiązania TF—mogą wpływać na poziom ekspresji genu. Przykładem tego od razu znanego wszystkim czytelnikom może być choroba Huntingtona., Tutaj niestabilny element genetyczny leży między promotorem a miejscem rozpoczęcia transkrypcji. Normalnie odstępy są akceptowalne i transkrybowane są wystarczające poziomy mRNA genu Huntingtona; jednak podczas replikacji komórki niestabilny element może mieć dodane dodatkowe DNA, odsuwając promotora od początku genu. Jak to się dzieje, promotor jest mniej skuteczny w prowadzeniu transkrypcji i poziom transkrypcji spada., Jeśli wkładka jest mała i spadek ekspresji jest niski, Jawna choroba nie występuje, ale jest uważany za stan „nośnika”, gdzie dalsza ekspansja spadnie ekspresję genów poniżej poziomów wymaganych do normalnej funkcji, a wyniki patologii choroby. (Nośnik w tym sensie nie jest ściśle identyczny ze znaczeniem w genetyce Mendla, stąd cudzysłów.,)
najważniejsze jest to, że dla każdego genu, nie tylko sekwencja sekcji kodowania jest ważna dla prawidłowego funkcjonowania, ale zawsze istnieje sąsiedni region promotora, który jest podatny na mutacje, które mogą mieć poważne reperkusje kliniczne. Gen może mieć doskonałą sekwencję kodowania typu dzikiego i jeszcze nie funkcjonować w razie potrzeby.
wzmacniacze i tłumiki
dobrą wiadomością o promotorach jest to, że wiemy, gdzie ich znaleźć., W rzeczywistości, sekwencjonując i badając dużą ich liczbę w różnych kontekstach i identyfikując różne TFs, które wiążą ich miejsca wiązania i ich ligandy, rozumiemy, możemy znaleźć, a we właściwym kontekście, nawet manipulować promotorami do woli, aby robić rzeczy takie jak tworzenie ekspresji genów specyficznych dla tkanki.
wzmacniacze i tłumiki są jednak trudniejsze. Są to elementy sekwencji DNA, które mogą również modulować poziom ekspresji genów (w górę dla wzmacniaczy i w dół dla represji, jak można się domyślić)., Podobnie jak promotory, są to krótkie (50-1000) elementy bazowe pary,i w ramach tego elementu będą nosić miejsca wiążące (często, jako powtarzające się kopie) dla białek, które mogą wpływać na szybkość transkrypcji w pobliskich genach. Nearbook jest celowo niejasnym terminem, ponieważ może wynosić do 1 miliona par zasad od genu, na który wpływa, i mogą być albo w górę, albo w dół-czyli 5 'lub 3′ – do genu. Są one co najmniej ograniczone do działania w cis lub innymi słowy, na tym samym sąsiadującym chromosomie co gen, ale identyfikacja ich w związku z konkretnym genem może być trudne., Biorąc pod uwagę przypadek hipotetycznej sekwencji wzmacniającej, znalezienie nieoczekiwanie niskiego poziomu ekspresji genu z nienaruszonym genem z pozornie normalną sekwencją promotorową byłoby pierwszą wskazówką, że sekwencje wzmacniające mogą być zaangażowane. Jeśli wiele takich przypadków można znaleźć i genomic region flankujący wpływ genu może być zsekwencjonowane, identyfikacja wszelkich obszarów zmian genetycznych z dzikiego typu wspólnego wśród tych przypadków byłoby miejsce do poszukiwania elementów wzmacniających. Uszkodzenie (zmiana sekwencji lub delecja) tych genów może zmniejszyć ekspresję., Lustrzanym odbiciem tego w pewnym sensie jest represor, który ma te same cechy, ale który w swoim normalnym stanie zmniejsza ekspresję genu. Mutacje w miejscu represora powodują niepożądaną wzrost ekspresji genów.
Jak działają wzmacniacze i tłumiki na tak dużych odległościach – a może co ciekawsze, jak to jest, że są specyficzne? Oznacza to, że wzmacniacz lub represor będzie zwykle działać na konkretny gen dystalny, jeszcze inne geny w pobliżu jeden wpływ może nie być wpływ., Odpowiedź na to jest być może nieco rozczarowujące, jak nie ma nic niesamowitego; odpowiedź jest, ponieważ wzmacniacz lub represor nie jest, przestrzennie, daleko od genu reguluje. Innymi słowy, wzmacniacze i represory są w stanie pracować na sekwencyjnie dystalnych celów ze względu na organizację chromatyny. Poprzez owijanie i zagęszczanie chromosomów, aby zmieścić się w jądrze komórkowym, odległe elementy sekwencji mogą być fizycznie sąsiadujące ze sobą, tak że białko wiążące jeden element sekwencji bezpośrednio dotyka i wpływa na inny., Bystry czytelnik zauważy jednak, że aby to działało niezawodnie, pakowanie i organizacja genów musi występować w sposób powtarzalny, tak aby można było polegać na dwóch sekcjach chromosomów znajdujących się w pobliżu. Jeszcze bardziej bystry czytelnik może dalej domyślać się, że jeśli organizacja chromosomów i pakowanie zmienia się w wiarygodny sposób podczas etapów cyklu komórkowego, można wyobrazić sobie wzmacniacze lub represory, które mogą wywierać wpływ tylko w określonych czasach.,
wniosek
wiadomość z tego wszystkiego jest taka, że nie, to nie tylko sekwencja kodująca danego genu może mutować i wpływać na biologiczną funkcję genu. Ma to możliwe implikacje dla względnej informacji niesionej przez całe sekwencjonowanie genomu vs całe projekty sekwencjonowania exome-ale to temat na kolejny miesiąc.
Dodaj komentarz