i denna månads episod kommer vi att återkomma till ett ämne som de flesta—eventuellt till och med alla-läsare utsattes för i någon långt avlägsen grundkurs, men eventuellt inte i mycket djup eller Med dess betydelse för mänskliga genetiska sjukdomar gjorde mycket tydligt utanför några speciella fall. Här är ett snabbt test: överväga frågan, ” är mutationer i eller direkt intill kodande regioner av gener de enda som sannolikt leder till sjukdomstillstånd?”Om din omedelbara reaktion är att svara på detta med ett ”ja”, är den här artikeln för dig., (Om du svarade ” Nej ” kanske du vill läsa på ändå och se om din logik är rätt!)
låt oss gå tillbaka till några mycket grundläggande molekylärbiologi.,ome innehåller gener, som är regioner av DNA som får transkriberas till RNA; i vissa fall är detta RNA i sig direkt funktionell (saker som tRNAs eller 18S—komponenten i ribosomen, till exempel) men i de flesta fall är RNA en mRNA, som bär en proteinkodningssekvens som översätts av ribosomalmaskineriet till en kovalent bifogad serie aminosyror—ett protein-som av naturen av de varierade sidokedjejans kemistrierna och deras elektrostatiska, vätebindning och hydrofoba interaktioner viks upp till ett termodynamiskt energiminima tillstånd för att skapa ett funktionellt enzym eller ett strukturellt protein., Mutationer-förändringar i den underliggande DNA-sekvensen – inom något av detta kodningsområde är statistiskt sannolikt att orsaka oönskade funktionsförändringar i slutproteinprodukten ,även om ”sannolikt” det finns en påminnelse om att sådana mutationer kan vara tysta (vilket betyder att de inte orsakar en proteinsekvensändring) eller inte skadliga (vilket orsakar en förändring som inte har någon signifikant inverkan), eller till och med möjligen fördelaktig, vilket ger en biologiskt mer passande produkt.,
vad den komprimerade sammanfattningen av cirka två års värde av undergradbiologikurser utelämnar, är att dessa gener i de DNA inte bara magiskt transkriberar till RNA på egen hand. Med tanke på att endast en liten del av det mänskliga genomet bär faktiska gener enligt definitionen ovan finns det andra DNA-sekvenselement vars enda roll är att markera var gener är och att kontrollera deras uttrycksnivå (transkription till RNA)., Det finns tre särskilt signifikanta typer av dessa kontrollelement, kallade promotorer, förstärkare och förtryckare; och som vi ser nedan kan mutationer i någon av dessa få effekter som allvarliga (eller sämre) än mutationer i kodningssekvenser.
promotorer: den proximala gatekeeper för en gen
promotorer är relativt korta sekvenser (ungefär 100 till 1,000 baspar i längd) alltid finns direkt uppströms (5′, med avseende på DNA-kodningssträngen) av genen de kontrollerar (”drive”, i vanligt parlance)., Dessa sekvenser innehåller element som rekryterar i RNA-polymeraser som är ansvariga för att transkribera genen. Mycket enkelt, om en viss definierad promotorsekvens i en viss celltyp och inställning är maximalt effektiv vid rekrytering av RNA—polymeras—låt oss kalla det 100 procent aktivitet-då kan variationer i sekvensen inträffa vilket minskar denna aktivitet (mindre RNA görs per tidsenhet)., Vissa förändringar är mer störande än andra, och i kombinationer är det inte svårt att föreställa sig hur variationer från en ”bästa” promotorsekvens kan leda till potential för ett smidigt utbud av basala uttryck, från sub 1 procent till full 100 procent uttryck. Det är en bra sak ur en Cells synvinkel, eftersom det tillåter olika gener att ha sina uttrycksnivåer anpassade till den steady state mängd genprodukt som behövs.
lägga till (bokstavligen) ett lager av komplexitet här är att promotorer inte direkt binder RNA-polymeras., I stället innehåller de kortare subsekvenser, vilka är erkända som bindningsställen för en klass av proteiner som kallas transkriptionsfaktorer (TFS); det finns många av dessa, var och en med sin egen föredragna DNA-sekvensbindningsställe (vanligtvis korta, 10-20 baspar) och sin egen nivå av förmåga att rekrytera i RNA-polymeras. Många har också, antingen direkt eller indirekt, allosteriska (sekundära) bindningsställen där ligander som metaboliter eller hormoner kan binda och påverka transkriptionsfaktorns aktivitetsnivå., Faktum är att det är den komplexa interaktionen mellan alla dessa olika transkriptionsfaktorer och deras modulerande ligander som är kärnan i hur olika celltyper definieras, och en hepatocyt beter sig annorlunda än en epitelcell trots att båda har samma DNA—de ”tar emot olika signaler”—som styr deras relativa uttrycksnivåer av olika gener.,
det är lätt att förstå hur en mutation inom en promotor, som ändrar en TF-bindningsställe, kan leda till problem inte genom en förändring av funktionen hos den mogna genprodukten utan genom variation i produktens uttrycksnivå. Oönskade antingen upp eller ner reglering av en gen kan få allvarliga konsekvenser; och om det är olyckligt nog att hända i en gen som i sin tur styr uttryck eller aktivitet av andra gener, en hel uppsättning gener kan ha sina nivåer ändras genom en enda nukleotid förändring., I nästan alla fall är det inte för det bästa och en sådan förändring resulterar i ett sjukdomstillstånd.
läsaren kommer ihåg att vi startade detta avsnitt genom att ange att en promotor alltid är direkt uppströms en gen. Avståndet mellan promotorn och den transkriptionella startplatsen (där första rna—nukleotid kommer att fastställas i ett begynnande transkript) är också viktigt, så införande eller deletionsmutationer—även de som inte direkt ändrar några specifika TF-bindningsställen-kan påverka genuttrycksnivån. Ett exempel på detta omedelbart bekant för alla läsare skulle vara Huntingtons sjukdom., Här ligger ett instabilt genetiskt element mellan promotorn och den transkriptionella startplatsen. Normalt är avståndet acceptabelt och tillräckliga nivåer av Huntingtongenen mRNA transkriberas; men under cellreplikation det instabila elementet kan ha ytterligare DNA infogas, flytta promotorn bort från början av genen. Som detta händer är promotorn mindre effektiv vid körning transkription och transkriptionsnivåer faller., Om införandet är liten och droppe i uttryck är låg, förekommer inte öppen sjukdom, men det anses vara ett ”bärartillstånd”, där ytterligare expansion kommer att släppa genuttryck under nivåer som krävs för normal funktion och sjukdomspatologiresultat. (Bärare i denna mening är inte strikt identisk med innebörden i Mendelian genetik, alltså citattecken.,)
grunden är att för varje gen är inte bara kodningssektionssekvensen viktig för korrekt funktion, men det finns alltid en intilliggande promotorregion som är mottaglig för mutationer som kan ha allvarliga kliniska återverkningar. En gen kan ha en perfekt wild typ kodning sekvens och ändå inte fungera som behövs.
förstärkare och förtryckare
den goda nyheten om initiativtagare är att vi vet var de finns., I själva verket, genom att sekvensera och undersöka ett stort antal av dem i olika sammanhang, och identifiera de olika TFs som binder deras bindande platser och deras ligander, vi förstår, kan hitta, och i rätt sammanhang, även manipulera promotorer efter vilja att göra saker som att skapa vävnadsspecifika genuttryck.
förstärkare och förtryckare är dock mer utmanande. Dessa är DNA-sekvenselement som också kan modulera genuttryck nivåer (uppåt för förstärkare, och nedåt för förtryckare, som man kan gissa)., Liksom promotorer är de korta (50-1, 000) basparelement, och inom detta element kommer bindningsställen (ofta som upprepade kopior) för proteiner som kan påverka transkriptionshastigheter vid närliggande gener. I närheten finns dock en avsiktligt vag term, eftersom den kan sträcka sig upp till 1 miljon baspar bort från genen som den påverkar, och de kan vara antingen uppströms eller nedströms—det vill säga 5′ eller 3’—till genen. De är åtminstone begränsade till åtgärder i cis eller med andra ord på samma sammanhängande kromosom som genen, men att identifiera dem i förhållande till en viss gen kan vara utmanande., Med tanke på fallet med en hypotetisk förstärkare sekvens, att hitta oväntat låga uttrycksnivåer av en annars intakt gen med tydligen normal promotor sekvens skulle vara första ledtråd att förstärkare sekvenser kan vara inblandade. Om ett antal sådana fall kunde hittas och genomiska regionen flankerar den påverkade genen kan sekvenseras, identifiering av alla områden av genetisk förändring från vilda typ gemensamt bland dessa fall skulle vara en plats att leta efter förstärkare element. Skador (sekvensförändring eller radering) av dessa förväntas minska genuttrycket., Spegelbilden av detta i en mening är en repressor, som delar samma egenskaper men som i sitt normala tillstånd minskar uttrycket av genen. Mutationer på en repressorplats orsakar då en oönskad uppreglering i genuttryck.
hur fungerar förstärkare och förtryckare över så stora avstånd—och kanske mer intressant, hur är det att de är specifika? Det vill säga en förstärkare eller repressor kommer vanligtvis att verka på en viss distal gen, men andra gener nära den som påverkas kan inte påverkas., Svaret på detta är kanske något nedslående, eftersom det inte finns något fantastiskt; svaret är, eftersom förstärkaren eller repressorn inte är rumsligt långt ifrån den gen som den reglerar. Med andra ord kan förstärkare och repressorer arbeta på sekventiellt distala mål på grund av kromatinorganisation. Genom att förpacka och komprimera kromosomer för att passa in i en cellkärna, kan avlägsna sekvenselement placeras fysiskt intill varandra så att ett Proteinbindande ett sekvenselement direkt berör och påverkar en annan., Den skarpsinniga läsaren kommer dock att notera att för att detta ska fungera tillförlitligt måste genförpackningen och organisationen ske reproduktivt så att de två kromosomsektionerna kan åberopas för att vara i närheten. En ännu mer skarpare läsare kan ytterligare gissa att om kromosomorganisation och förpackning förändras på ett tillförlitligt sätt under steg i cellcykeln kan man föreställa sig förstärkare eller förtryckare som bara kan utöva inflytande vid specifika tider.,
slutsats
ta hem meddelandet från alla ovanstående är att nej, det är inte bara kodningssekvensen för en given gen som kan mutera och påverka genens biologiska funktion. Detta har möjliga konsekvenser för den relativa informationen som bärs av hela genomsekvensering vs hela exome sekvenseringsprojekt – men det är ett ämne för en annan månad.
Lämna ett svar