neste mês episódio, vamos revisitar um tema que a maioria—possivelmente até mesmo todos os leitores foram expostos em alguns distante de curso de graduação, mas, possivelmente, não em profundidade, ou com a sua significação humana e doenças genéticas muito claro, fora de alguns casos especiais. Aqui está um teste rápido: considere a questão: “as mutações em ou diretamente adjacentes a regiões codificadoras de genes são as únicas susceptíveis de levar a estados de doença?”Se sua reação imediata é responder a isso com um “Sim”, este artigo é para você., (Se você respondeu “Não”, você pode querer ler na mesma e ver se a sua lógica está certa!)
Let’s go back to some very basic molecular biology.,ome contém os genes, que são regiões do DNA que se transcrito para o RNA, em alguns casos, este RNA é diretamente funcional (coisas como tRNAs ou a 18S componente do ribossoma, por exemplo), mas na maioria dos casos, o RNA é um mRNA, carregando uma proteína de codificação sequência, o que é traduzido pelo ribossomal máquinas em uma ligadas anexado série de aminoácidos de uma proteína que, por natureza, das variadas lado cadeia de produtos químicos e seus eletrostática, ligação de hidrogênio, e interações hidrofóbicas dobra-se a um termodinâmicas energia mínimos de estado para criar uma enzima funcional ou estrutural de proteínas., Mutações—alterações para a base de seqüência de DNA—dentro desta codificação de região são estatisticamente provável causa alterações indesejadas de função no final de proteína do produto, apesar de ser “provável” há um lembrete de que tais mutações podem ser silencioso (o que significa que não causa uma seqüência de proteína de mudança), ou não prejudiciais (causando uma alteração não tem impacto significativo), ou possivelmente até mesmo vantajoso, produzindo um biologicamente mais apto do produto.,
O que o resumo comprimido de cerca de dois anos de curso de biologia de graduação omite, é que esses genes em um DNA não apenas transcrevem magicamente para o RNA por conta própria. Tendo em mente que apenas uma pequena fração do genoma humano carrega genes reais, como definido acima, existem outros elementos de sequência de DNA cujo único papel é marcar onde os genes estão, e controlar o seu nível de expressão (transcrição para RNA)., Existem três tipos particularmente significativos desses elementos de controle, chamados promotores, potenciadores e repressores; e como veremos abaixo, mutações em qualquer um destes podem ter efeitos tão graves (ou piores) do que mutações em seqüências de codificação.Promoters: the proximal gatekeeper for a gene
Promoters are relatively short sequences (roughly 100 to 1000 base pairs in length) always found directly upstream (5′, with respect to the DNA coding strand) of the gene they control (“drive,” in usual parlance)., Estas sequências contêm elementos que recrutam em ARN polimerases responsáveis pela transcrição do gene. Muito simplisticamente, se uma determinada sequência de promotor definida num determinado tipo de célula e configuração for maximalmente eficiente no recrutamento de ARN polimerase—digamos que 100% de actividade-então podem ocorrer variações na sequência que reduzem esta actividade (menos ARN é feito por unidade de tempo)., Algumas mudanças são mais disruptivas do que outras, e em combinações não é difícil imaginar como variações de uma sequência Promotora “melhor” podem levar a um potencial para uma gama lisa de taxas de expressão basal, de sub1 % a 100% de expressão total. Isso é uma grande coisa do ponto de vista de uma célula, porque permite que diferentes genes tenham seus níveis de expressão adaptados à quantidade de estado constante de produto genético necessário.
adicionando (literalmente) uma camada de complexidade aqui é que os promotores não ligam diretamente a RNA polimerase., Em vez disso, eles contêm sub-sequências mais curtas, que são reconhecidos como locais de ligação para uma classe de proteínas conhecidas como fatores de transcrição (TFs); há um grande número deles, cada um com seu próprio local de ligação de sequência de DNA preferido (geralmente curtos, 10-20 pares de base) e seu próprio nível de capacidade de recrutar na ARN polimerase. Muitos também têm, direta ou indiretamente, locais de ligação alosterica (secundária) onde ligantes como metabolitos ou hormônios podem se ligar e influenciar o nível de atividade do fator de transcrição., Na verdade, é uma complexa interação de todos esses diferentes fatores de transcrição e a sua modulação ligandos que é o cerne de como diferentes tipos de células são definidas, e um dos hepatócitos se comporta de forma diferente de uma célula epitelial, apesar de ambos terem o mesmo DNA—eles estão “recebendo sinais diferentes”—que controlam a sua relativa nos níveis de expressão de vários genes.,é fácil compreender, então, como uma mutação dentro de um promotor, alterando um local de ligação a TFT, pode conduzir a problemas não através de uma alteração na função do produto genético maduro, mas através da variação no nível de expressão do produto. Indesejáveis para cima ou para baixo regulamento de um gene pode ter consequências graves; e se é infeliz o suficiente para acontecer em um gene que controla a expressão ou atividade de outros genes, todo um conjunto de genes que podem ter seus níveis alterados por um único nucleotídeo mudança., Em quase todos os casos, isso não é o melhor e tal mudança resulta em um estado de doença.
O leitor recordar-se-á que iniciámos esta secção afirmando que um promotor está sempre directamente a montante de um gene. O espaçamento entre o promotor e o local de início transcritional (onde o primeiro nucleótido RNA será colocado em uma transcrição nascente) também é importante, por isso as mutações de inserção ou exclusão—mesmo as que não alteram diretamente nenhum local específico de ligação TF—podem afetar o nível de expressão do gene. Um exemplo disto imediatamente familiar a todos os leitores seria a doença de Huntington., Aqui, um elemento genético instável encontra-se entre o promotor e o local de início transcritional. Normalmente, o espaçamento é aceitável e níveis suficientes do mRNA gene Huntington são transcritos; no entanto, durante a replicação celular, o elemento instável pode ter DNA adicional inserido, afastando o promotor do início do gene. Como isso acontece, o promotor é menos eficiente na condução de transcrições e níveis de transcrição cair., Se a inserção é pequena e a queda na expressão é baixa, a doença overt não ocorre, mas é considerado um estado “portador”, onde a expansão posterior irá baixar a expressão do gene abaixo dos níveis necessários para a função normal, e os resultados patológicos da doença. (Carrier in this sense is not strictly identical to the meaning in Mendelian genetics, thus the quotation marks.,)
a conclusão é que para cada gene, não só a sequência da secção de codificação é importante para a função adequada, mas há sempre uma região promotora adjacente que é suscetível a mutações que podem ter graves repercussões clínicas. Um gene pode ter uma sequência de codificação de tipo selvagem perfeita e ainda não funcionar conforme necessário.
potenciadores e repressores
a boa notícia sobre os promotores é que sabemos onde encontrá-los., Na verdade, por sequenciar e analisar um grande número deles em vários contextos, e identificar os vários TFs que ligam seus sítios de ligação e seus ligantes, entendemos, pode encontrar, e no contexto certo, mesmo manipular os promotores à vontade para fazer coisas como criar tecido específico de expressão do gene.potenciadores e repressores, no entanto, são mais desafiadores. Estes são elementos de sequência de DNA que também podem modular níveis de expressão de genes (para cima para potenciadores, e para baixo para repressores, como se pode adivinhar)., Como promotores, eles são curtos (50-1,000) elementos de par base, e dentro deste elemento irá carregar locais de ligação (muitas vezes, como cópias repetidas) para proteínas que podem influenciar as taxas de transcrição em genes próximos. Próximo é um termo intencionalmente vago, porém, como pode variar até 1 milhão de pares de base longe do gene que influencia, e eles podem ser tanto a montante ou a jusante—isto é, 5′ ou 3’—para o gene. Eles são pelo menos limitados à ação em cis ou em outras palavras, no mesmo cromossomo contíguo que o gene, mas identificá-los em relação a um determinado gene pode ser um desafio., Considerando o caso de uma sequência hipotética de potenciador, encontrar níveis inesperadamente baixos de expressão de um gene intacto com uma sequência aparentemente normal de promotor seria a primeira pista de que sequências de potenciador podem estar envolvidas. Se um número de tais casos poderia ser encontrado e Região genômica flanqueando o gene impactado pode ser sequenciada, a identificação de quaisquer áreas de mudança genética de tipo selvagem em comum entre estes casos seria um lugar para procurar elementos potenciadores. Os danos (alteração de sequência ou supressão) destes seriam esperados para reduzir a expressão do gene., A imagem espelhada disto em um sentido é um repressor, que compartilha as mesmas características mas que em seu estado normal reduz a expressão do gene. Mutações em um local de repressor, em seguida, causam uma regulação indesejável na expressão do gene.
Como é que os intensificadores e os repressores funcionam em distâncias tão grandes—e talvez mais interessante, como é que eles são específicos? Isto é, um potenciador ou repressor geralmente age em um gene distal particular, ainda outros genes próximos ao um influenciado podem não ser influenciados., A resposta a isso é talvez um pouco decepcionante, pois não há nada de surpreendente; a resposta é, porque o potenciador ou o repressor não está, espacialmente, longe do gene que regula. Em outras palavras, realçadores e repressores são capazes de trabalhar em alvos sequencialmente distais devido à organização cromatina. Ao envolver e compactar cromossomas para caber dentro de um núcleo celular, elementos de sequência distante podem ser colocados fisicamente adjacentes um ao outro, de modo que uma ligação de proteínas um elemento de sequência está tocando e influenciando diretamente outro., O leitor astuto notará, no entanto, que para que isso funcione de forma confiável, a embalagem e Organização de genes devem ocorrer de forma reprodutível, de modo que as duas seções cromossômicas podem ser confiáveis para estar na proximidade. Um leitor ainda mais astuto poderia ainda adivinhar que se a organização cromossômica e o empacotamento mudam de forma confiável durante as etapas do ciclo celular, pode-se imaginar potenciadores ou repressores que só podem exercer influência em momentos específicos.,
Conclusão
A levar para casa a mensagem de todas as anteriores é que não, não é apenas a sequência codificante de um determinado gene que pode sofrer mutação e influência biológica função do gene. Isto tem possíveis implicações para a informação relativa transportada por sequenciamento completo do genoma Versus projetos completos de sequenciamento – mas esse é um tópico para mais um mês.
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