ตัวเสริมและตัวยับยั้งการพัฒนา (Developmental Enhancers and Silencers)

ตัวเสริม (enhancers) และตัวยับยั้ง (silencers) เป็นองค์ประกอบควบคุมดีเอ็นเอที่อยู่ห่างไกล ซึ่งทำหน้าที่เพิ่มและลดการถอดรหัสของยีนเป้าหมายตามลำดับ และเป็นสวิตช์หลักที่ใช้ในการดำเนินงานของโปรแกรมการพัฒนา ในระหว่างการแยกเซลล์ ตัวเสริมจะถูกกระตุ้นหรือปลดประจำการอย่างเลือกสรร และตัวยับยั้งจะทำการยับยั้ง เพื่อให้จีโนมเดียวกันสามารถขับเคลื่อนโปรแกรมการแสดงออกที่แตกต่างกันในสายเซลล์ที่แตกต่างกัน สถานะกิจกรรมของพวกมันสามารถอ่านได้จากเครื่องหมายโครมาตินที่เป็นลักษณะเฉพาะ ทำให้ภูมิทัศน์การควบคุมของเซลล์สามารถมองเห็นได้

Definition

ตัวเสริมและตัวยับยั้งการพัฒนาเป็นองค์ประกอบควบคุมแบบ cis ที่อยู่ห่างไกล ซึ่งทำหน้าที่กระตุ้นหรือยับยั้งการแสดงออกของยีนเฉพาะสายเซลล์ในระหว่างการพัฒนา; กิจกรรมของพวกมันถูกระบุด้วยการปรับเปลี่ยนฮิสโตนที่เป็นลักษณะเฉพาะ — โดยเฉพาะ H3K4me1 ที่ตัวเสริม, โดยมี H3K27ac เป็นตัวแยกความแตกต่างระหว่างสถานะที่ทำงานอยู่กับสถานะที่พร้อมทำงาน — ซึ่งเปลี่ยนแปลงไปเมื่อเซลล์เกิดการแยกตัว

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงลักษณะเฉพาะของโครมาตินที่จำแนกองค์ประกอบควบคุมที่ทำงานอยู่, ที่พร้อมทำงาน และที่หยุดทำงาน; วิธีที่ตัวเสริมที่พร้อมทำงานคาดการณ์การกระตุ้นในภายหลัง; วิธีที่ชุดของตัวเสริมเปลี่ยนแปลงไปเมื่อเซลล์มุ่งมั่นที่จะเป็นสายเซลล์ใดสายเซลล์หนึ่ง; และวิธีที่ตัวยับยั้งและการยับยั้งโดย Polycomb ทำให้ยีนหยุดทำงาน หัวข้อนี้ถือว่าองค์ประกอบควบคุมแบบ cis ในการพัฒนาเป็นหัวข้อหนึ่งในสาขาเอพิเจเนติกส์ของการแยกเซลล์ โดยเป็นข้อมูลอ้างอิงมากกว่าคำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• เครื่องหมายโครมาตินใดที่จำแนกองค์ประกอบควบคุมที่ทำงานอยู่, ที่พร้อมทำงาน และที่หยุดทำงาน?
• ตัวเสริมที่พร้อมทำงานคาดการณ์การกระตุ้นยีนในภายหลังได้อย่างไร?
• ชุดของตัวเสริมเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรเมื่อเซลล์มุ่งมั่นที่จะเป็นสายเซลล์ใดสายเซลล์หนึ่ง?
• ตัวยับยั้งและโดเมน Polycomb บังคับใช้การยับยั้งที่คงที่ได้อย่างไร?

Key concepts

• ตัวเสริมและตัวยับยั้งในฐานะองค์ประกอบควบคุมที่อยู่ห่างไกล
• เครื่องหมายตัวเสริม H3K4me1
• H3K27ac และตัวเสริมที่ทำงานอยู่เทียบกับตัวเสริมที่พร้อมทำงาน
• ตัวเสริมที่พร้อมทำงานคาดการณ์การกระตุ้น
• การปลดประจำการตัวเสริมเมื่อเกิดการแยกเซลล์
• การยับยั้งโดย Polycomb
• แผนที่สถานะโครมาติน

Key theories

ลักษณะเฉพาะของโครมาตินของตัวเสริม

ตัวเสริมถูกระบุด้วย H3K4me1 และการมีอยู่ของ H3K27ac เพิ่มเติมจะแยกความแตกต่างระหว่างตัวเสริมที่ทำงานอยู่กับตัวเสริมที่พร้อมทำงาน; การอ่านเครื่องหมายเหล่านี้ทั่วทั้งจีโนมช่วยให้สามารถอนุมานสถานะการควบคุมของเซลล์และระยะการพัฒนาของเซลล์ได้

การแบ่งส่วนสถานะโครมาติน

การรวมกันของเครื่องหมายฮิสโตนกำหนดชุดเล็กๆ ของสถานะโครมาตินที่เกิดขึ้นซ้ำๆ — โปรโมเตอร์, ตัวเสริมที่ทำงานอยู่และที่พร้อมทำงาน, บริเวณที่ถูกยับยั้ง — ซึ่งสามารถทำแผนที่ได้ในเซลล์ประเภทต่างๆ เพื่อแสดงให้เห็นว่าองค์ประกอบควบคุมถูกนำไปใช้และสลับอย่างไรในระหว่างการแยกเซลล์

Mechanisms

ตัวเสริมและตัวยับยั้งออกฤทธิ์โดยการดึงดูดปัจจัยการถอดรหัสและตัวควบคุมร่วมที่เชื่อมโยงและปรับเปลี่ยนโปรโมเตอร์เป้าหมาย กิจกรรมของพวกมันถูกเข้ารหัสในโครมาติน: ตัวเสริมจะได้รับ H3K4me1 และการได้รับ H3K27ac (และการสูญเสีย H3K27me3) เป็นเครื่องหมายของการเปลี่ยนจากสถานะที่พร้อมทำงานไปสู่สถานะที่ทำงานอยู่ ในขณะที่การปลดประจำการจะย้อนกลับกระบวนการนี้ ตัวเสริมที่พร้อมทำงานมีลักษณะเฉพาะของตัวเสริมโดยไม่มีการกระตุ้นเต็มที่ ทำให้ยีนพร้อมใช้งานก่อนที่จะจำเป็นต้องใช้ เมื่อเซลล์เกิดการแยกตัว ตัวเสริมเฉพาะสายเซลล์จะถูกกระตุ้น ในขณะที่ตัวเสริมของชะตากรรมทางเลือกจะถูกปลดประจำการ และตัวยับยั้งร่วมกับโดเมนที่มีเครื่องหมาย Polycomb จะทำการยับยั้งอย่างคงที่ แผนที่สถานะโครมาตินทั่วทั้งจีโนมเผยให้เห็นองค์ประกอบเหล่านี้และวิธีที่สถานะของพวกมันเปลี่ยนแปลงไปในเซลล์ประเภทต่างๆ

Clinical relevance

เนื่องจากตัวเสริมการพัฒนาควบคุมว่ายีนจะแสดงออกที่ไหนและเมื่อไหร่ การหยุดชะงักของพวกมันจึงเชื่อมโยงกับฟีโนไทป์ของการพัฒนาและโรค และแผนที่ตัวเสริมช่วยในการตีความความแปรผันของการควบคุมที่ไม่ใช่การเข้ารหัส หัวข้อนี้อธิบายว่าองค์ประกอบควบคุมสร้างรูปแบบการแสดงออกของยีนอย่างไร; เป็นการอธิบายชีววิทยาและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการตัดสินใจในการรักษาเฉพาะบุคคล

History

การระบุตัวเสริมอย่างเป็นระบบโดยใช้ลักษณะเฉพาะของโครมาตินมีความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วในช่วงประมาณปี 2010 เมื่อการศึกษาแสดงให้เห็นว่า H3K4me1 เป็นเครื่องหมายของตัวเสริม และ H3K27ac เป็นตัวแยกความแตกต่างระหว่างสถานะที่ทำงานอยู่กับสถานะที่พร้อมทำงาน (Creyghton et al., 2010; Rada-Iglesias et al., 2011) การแบ่งส่วนสถานะโครมาตินทั่วทั้งจีโนมในเซลล์มนุษย์หลายประเภทได้ให้แผนที่ว่าองค์ประกอบควบคุมถูกนำไปใช้และสลับอย่างไรในระหว่างการแยกเซลล์ (Ernst et al., 2011) และการสังเคราะห์ได้เชื่อมโยงการควบคุมตัวเสริมกับการควบคุมที่ผิดปกติในโรค (Lee & Young, 2013)

Debates

เครื่องหมายโครมาตินสามารถทำนายการทำงานของตัวเสริมได้อย่างแม่นยำเพียงใด?

ลักษณะเฉพาะของฮิสโตน เช่น H3K4me1 และ H3K27ac สามารถระบุตัวเสริมที่เป็นไปได้อย่างน่าเชื่อถือ แต่มีการถกเถียงกันว่าการมีอยู่ของเครื่องหมายเท่ากับการทำงานของการควบคุมในบริบทที่กำหนดหรือไม่ เนื่องจากองค์ประกอบที่มีเครื่องหมายจำนวนมากแสดงผลกระทบที่อ่อนแอหรือขึ้นอยู่กับบริบทเมื่อทำการทดสอบ

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

ความแตกต่างระหว่างตัวเสริมที่ทำงานอยู่กับตัวเสริมที่พร้อมทำงานคืออะไร?

ทั้งสองมีเครื่องหมายตัวเสริม H3K4me1 แต่ตัวเสริมที่ทำงานอยู่มี H3K27ac เพิ่มเติมและขับเคลื่อนการถอดรหัส ในขณะที่ตัวเสริมที่พร้อมทำงานไม่มี (และอาจมี H3K27me3 ที่ยับยั้ง) และถูกเตรียมพร้อมสำหรับการกระตุ้นในภายหลัง

เหตุใดตัวเสริมจึงมีความสำคัญต่อการพัฒนา?

ตัวเสริมและตัวยับยั้งกำหนดว่ายีนจะถูกเปิดหรือปิดที่ไหนและเมื่อไหร่ ดังนั้นการกระตุ้นและการปลดประจำการองค์ประกอบเหล่านี้อย่างเลือกสรรจึงเป็นวิธีที่จีโนมเดียวขับเคลื่อนโปรแกรมการแสดงออกของยีนที่แตกต่างกันในสายเซลล์ที่แตกต่างกัน