Цис-регуляторные элементы и энхансеры

Включение гена и интенсивность его экспрессии в значительной степени определяются короткими последовательностями ДНК, расположенными рядом или далеко от гена, которые связывают регуляторные белки. Эти цис-регуляторные элементы — промоторы, которые закрепляют транскрипционный аппарат, и энхансеры, которые его усиливают, — кодируют инструкции о том, где и когда ген будет экспрессироваться, часто действуя на больших расстояниях посредством образования ДНК-петель.

Definition

Цис-регуляторные элементы — это некодирующие последовательности ДНК на той же молекуле, что и ген, который они контролируют, связывающие регуляторные белки для определения его транскрипции; энхансеры — это цис-регуляторные элементы, которые увеличивают транскрипцию целевого гена, часто на расстоянии и независимо от ориентации.

Scope

Эта тема охватывает основные классы цис-регуляторных элементов (промоторы, энхансеры и связанные с ними последовательности), то, как транскрипционные факторы их считывают, и как энхансеры действуют на расстоянии для контроля экспрессии. Это справочный и образовательный материал; роль регуляторных вариантов в развитии заболеваний описывается в общем виде, а не как клиническое руководство.

Core questions

• Каковы основные типы цис-регуляторных элементов?
• Как энхансеры активируют гены на расстоянии?
• Как транскрипционные факторы распознают регуляторные последовательности?
• Почему варианты в регуляторной ДНК могут влиять на экспрессию генов и фенотип?

Key concepts

• Цис-регуляторный элемент
• Промотор
• Энхансер
• Сайт связывания транскрипционного фактора
• Петлеобразование энхансер-промотор
• Суперэнхансер
• Сайленсер и изолятор
• Тканеспецифическая регуляция

Mechanisms

Транскрипционные факторы связывают специфические по последовательности мотивы в цис-регуляторных элементах. Промотор позиционирует РНК-полимеразу в сайте начала транскрипции, в то время как энхансеры — которые могут располагаться на расстоянии тысяч пар оснований, выше по течению, ниже по течению или в интронах — рекрутируют активирующие факторы и контактируют с промотором через хроматиновые петли для усиления транскрипции. Комбинации связанных факторов интегрируют клеточные сигналы таким образом, что ген экспрессируется в правильном типе клеток и условиях; кластеры сильных энхансеров (суперэнхансеры) обеспечивают особенно высокую экспрессию генов, определяющих клеточную идентичность.

Clinical relevance

Многие варианты, связанные с признаками и заболеваниями, находятся не в кодирующей последовательности, а в цис-регуляторных элементах, где они могут изменять связывание транскрипционных факторов и влиять на количество продуцируемого гена; понимание этих элементов, следовательно, помогает в интерпретации некодирующих вариантов. Эта тема предоставляет справочную и образовательную информацию и не является основой для индивидуальной диагностики или лечения.

Epidemiology

Полногеномное картирование показывает, что регуляторные элементы значительно превосходят по численности гены, с сотнями тысяч кандидатных энхансеров, отмеченных в различных типах клеток человека, и что большая часть функциональной, некодирующей аннотации генома состоит из таких регуляторных последовательностей, активных специфичным для типа клеток образом.

Evidence & guidelines

Полногеномный каталог цис-регуляторных элементов получен на основе функционально-геномного картирования связывания транскрипционных факторов и хроматиновых меток, примером чего являются каталоги ENCODE, с обзорами, синтезирующими свойства и предсказания энхансеров. Они предоставляют эталонную аннотацию для регуляторной ДНК.

History

Энхансер был определен в начале 1980-х годов как последовательность, которая усиливает транскрипцию независимо от ее расстояния или ориентации относительно гена. Последующие десятилетия установили роль транскрипционных факторов, хроматинового петлеобразования и, совсем недавно, суперэнхансеров, а полногеномные проекты картировали регуляторные элементы по всему геному.

Debates

Как энхансеры сопоставляются со своими целевыми генами?

Энхансеры могут пропускать более близкие гены, чтобы действовать на отдаленные, и предсказание того, какой ген контролирует данный энхансер — по последовательности, хроматиновым контактам и активности — остается активной и не до конца решенной проблемой.

Key figures

• Alexander Stark
• François Spitz
• Eileen Furlong
• Richard Young

Seminal works

• encode-2012
• shlyueva-2014
• hnisz-2013

Frequently asked questions

Как энхансер может контролировать ген, который находится далеко?

ДНК складывается таким образом, что отдаленный энхансер вступает в физический контакт с промотором гена через хроматиновое петлеобразование, позволяя факторам, связанным с энхансером, стимулировать транскрипцию.

Почему регуляторные варианты важны, если они не изменяют белок?

Они могут изменять интенсивность или клетки, в которых транскрибируется ген, поэтому вариант в промоторе или энхансере может изменить количество нормального белка, чего достаточно, чтобы повлиять на признаки и риск заболевания.