Entwicklungs-Enhancer und -Silencer

Enhancer und Silencer sind distale regulatorische DNA-Elemente, die die Transkription ihrer Zielgene jeweils erhöhen oder verringern, und sie sind die Hauptschalter, über die Entwicklungsprogramme ausgeführt werden. Während der Differenzierung werden Enhancer selektiv aktiviert oder stillgelegt, und Silencer üben Repression aus, sodass dasselbe Genom in verschiedenen Linien unterschiedliche Expressionsprogramme steuert. Ihr Aktivitätszustand wird durch charakteristische Chromatin-Signaturen abgelesen, wodurch die regulatorische Landschaft einer Zelle sichtbar wird.

Definition

Entwicklungs-Enhancer und -Silencer sind distale cis-regulatorische Elemente, die die linienspezifische Genexpression während der Entwicklung aktivieren oder unterdrücken; ihre Aktivität ist durch charakteristische Histonmodifikationen gekennzeichnet – insbesondere H3K4me1 an Enhancern, wobei H3K27ac aktive von prädisponierten Zuständen unterscheidet – die sich mit der Zelldifferenzierung ändern.

Scope

Dieses Thema behandelt die Chromatin-Signaturen, die aktive, prädisponierte (poised) und stille regulatorische Elemente unterscheiden; wie prädisponierte Enhancer eine spätere Aktivierung antizipieren; wie sich Enhancer-Repertoires ändern, wenn Zellen sich zu Linien verpflichten; und wie Silencer und Polycomb-Repression Gene abschalten. Es behandelt entwicklungsbedingte cis-regulatorische Elemente als Thema der Epigenetik der Differenzierung, als Referenzmaterial und nicht als klinische Leitlinie.

Core questions

• Welche Chromatin-Signaturen unterscheiden aktive, prädisponierte und stille regulatorische Elemente?
• Wie antizipieren prädisponierte Enhancer die spätere Aktivierung eines Gens?
• Wie verändert sich das Enhancer-Repertoire, wenn sich eine Zelle zu einer Linie verpflichtet?
• Wie erzwingen Silencer und Polycomb-Domänen eine stabile Repression?

Key concepts

• Enhancer und Silencer als distale regulatorische Elemente
• H3K4me1 Enhancer-Markierung
• H3K27ac und aktive versus prädisponierte Enhancer
• Prädisponierte Enhancer, die die Aktivierung antizipieren
• Stilllegung von Enhancern bei Differenzierung
• Polycomb-vermittelte Stilllegung
• Chromatin-Zustands-Karten

Key theories

Enhancer-Chromatin-Signaturen

Enhancer sind durch H3K4me1 markiert, und die zusätzliche Anwesenheit von H3K27ac unterscheidet aktive Enhancer von prädisponierten; das genomweite Ablesen dieser Markierungen ermöglicht es, den regulatorischen Zustand einer Zelle und ihr Entwicklungsstadium abzuleiten.

Chromatin-Zustands-Segmentierung

Kombinationen von Histonmarkierungen definieren eine kleine Menge wiederkehrender Chromatin-Zustände – Promotoren, aktive und prädisponierte Enhancer, reprimierte Regionen –, die über Zelltypen hinweg kartiert werden können, um darzustellen, wie regulatorische Elemente während der Differenzierung eingesetzt und geschaltet werden.

Mechanisms

Enhancer und Silencer entfalten ihre Wirkung, indem sie Transkriptionsfaktoren und Koregulatoren rekrutieren, die zu Zielpromotoren schleifen und diese modulieren. Ihre Aktivität ist im Chromatin kodiert: Enhancer erwerben H3K4me1, und der Erwerb von H3K27ac (und der Verlust von H3K27me3) markiert den Übergang von einem prädisponierten zu einem aktiven Zustand, während die Stilllegung dies umkehrt. Prädisponierte Enhancer tragen die Enhancer-Signatur ohne vollständige Aktivierung, wodurch Gene vorbereitet werden können, bevor sie benötigt werden. Während sich Zellen differenzieren, werden linienspezifische Enhancer aktiviert, während die von alternativen Schicksalen stillgelegt werden, und Silencer zusammen mit Polycomb-markierten Domänen erzwingen eine stabile Repression. Genomweite Chromatin-Zustands-Karten zeigen diese Elemente und wie sich ihre Zustände über verschiedene Zelltypen hinweg verschieben.

Clinical relevance

Da Entwicklungs-Enhancer steuern, wo und wann Gene exprimiert werden, ist ihre Störung mit Entwicklungs- und Krankheitsphänotypen verbunden, und Enhancer-Karten informieren die Interpretation nicht-kodierender regulatorischer Variationen. Dieses Thema erklärt, wie regulatorische Elemente die Genexpression mustern; es beschreibt die Biologie und ist keine Grundlage für individuelle diagnostische oder Behandlungsentscheidungen.

History

Die systematische Identifizierung von Enhancern anhand ihrer Chromatin-Signaturen schritt um 2010 rasch voran, als Studien zeigten, dass H3K4me1 Enhancer markiert und dass H3K27ac aktive von prädisponierten Zuständen unterscheidet (Creyghton et al., 2010; Rada-Iglesias et al., 2011). Genomweite Chromatin-Zustands-Segmentierung über mehrere menschliche Zelltypen hinweg lieferte dann Karten darüber, wie regulatorische Elemente während der Differenzierung eingesetzt und geschaltet werden (Ernst et al., 2011), und Synthesen verbanden die Enhancer-Regulation mit ihrer Fehlregulation bei Krankheiten (Lee & Young, 2013).

Debates

Wie prädiktiv sind Chromatin-Signaturen für die wahre Enhancer-Funktion?

Histon-Signaturen wie H3K4me1 und H3K27ac kennzeichnen zuverlässig Kandidaten-Enhancer, aber ob die Anwesenheit der Markierung einer funktionellen regulatorischen Aktivität in einem bestimmten Kontext gleichkommt, wird diskutiert, da viele markierte Elemente bei Tests schwache oder kontextabhängige Effekte zeigen.

Key figures

• Joanna Wysocka
• Alvaro Rada-Iglesias
• Rudolf Jaenisch
• Bradley Bernstein
• Richard Young

Seminal works

• rada-iglesias-2010
• creyghton-2010
• ernst-2011

Frequently asked questions

Was ist der Unterschied zwischen einem aktiven und einem prädisponierten Enhancer?

Beide tragen die Enhancer-Markierung H3K4me1, aber aktive Enhancer tragen zusätzlich H3K27ac und treiben die Transkription an, während prädisponierte Enhancer diese nicht tragen (und repressive H3K27me3 tragen können) und für eine spätere Aktivierung bereitgehalten werden.

Warum sind Enhancer für die Entwicklung wichtig?

Enhancer und Silencer bestimmen, wo und wann Gene ein- oder ausgeschaltet werden, sodass die selektive Aktivierung und Stilllegung dieser Elemente der Mechanismus ist, wie ein einziges Genom die unterschiedlichen Genexpressionsprogramme verschiedener Zelllinien steuert.