Informatie

12.4: Regelgevende elementen in evolutie - biologie


Mutaties kunnen in beide voorkomen cis-elementen en trans-factoren; beide kunnen leiden tot veranderde patronen van genexpressie. Een voorbeeld van een sequentieverandering in een enhancer is te vinden in de Pitx gen.

Voorbeeld: Pitx uitdrukking in Stickleback

De driedoornige stekelbaars (Figuur (PageIndex{11})) geeft een voorbeeld van natuurlijke selectie van een mutatie in a cis-regelgevend element. Deze vis komt in twee vormen voor: (1) populaties die diep, open water bewonen en een stekelige buikvin hebben die grotere roofvissen ervan weerhoudt zich ermee te voeden; (2) populaties uit ondiepe wateren en missen deze stekelige buikvin. In ondiep water blijkt een lange, stekelige buikvin een nadeel te zijn, omdat deze vaak in contact komt met het sediment op de bodem van de vijver en parasitaire insecten in het sediment de stekelbaars kan binnendringen. Onderzoekers vergeleken gensequenties van individuen uit zowel diepe als ondiepe wateren, zoals weergegeven in figuur (PageIndex{11}). Ze merkten op dat in embryo's van de diepwaterpopulatie een gen genaamd Pitx werd tot expressie gebracht in verschillende groepen cellen, waaronder die welke zich ontwikkelden tot de bekkenvin. Embryo's van de populatie in ondiep water tot expressie gebracht Pitx in dezelfde groepen cellen als de andere populatie, met een belangrijke uitzondering: Pitx kwam niet tot uiting in de bekkenvin primordium in de ondiepwaterbevolking. Verdere genetische analyse toonde aan dat de afwezigheid van Pitx genexpressie van de zich ontwikkelende buikvin van ondiepwaterstekelbaars was te wijten aan de afwezigheid (mutatie) van een bepaald versterkerelement stroomopwaarts van Pitx.

Voorbeeld: Hemoglobine-expressie in placentale zoogdieren.

Hemoglobine is het zuurstofdragende bestanddeel van rode bloedcellen (erytrocyten). Hemoglobine bestaat gewoonlijk als tetrameren van vier niet-covalent gebonden hemoglobinemoleculen (Fig. 12.12). Elk hemoglobinemolecuul bestaat uit a globine polypeptide met een covalent gebonden heemmolecuul. Heme wordt gemaakt via een gespecialiseerde metabole route en wordt vervolgens via globine-polypeptide gebonden post-translationele modificatie.

De samenstelling van de tetrameren verandert tijdens de ontwikkeling (Figuur (PageIndex{13})). Vanaf de vroege kinderjaren zijn de meeste tetrameren van het type (mathbf{alpha})2(mathbf{eta})2, wat betekent dat ze twee kopieën bevatten van elk van twee enigszins verschillende globine-eiwitten genaamd (alpha) en (eta). Een kleine hoeveelheid volwassen hemoglobine is (alpha)2(delta)2, die (delta) globin heeft in plaats van de meer gebruikelijke (eta) globin. Andere tetramere combinaties overheersen voor de geboorte: (zeta)2(varepsilon)2 komt het meest voor in embryo's, en (alpha)2(gamma)2 komt het meest voor bij foetussen. Hoewel de zes globine-eiwitten ((alpha) = alpha, (eta) = beta , (gamma) = gamma, (delta) =delta, (varepsilon) =epsilon , (zeta) = zeta) lijken erg op elkaar, ze hebben wel iets andere functionele eigenschappen. Foetaal hemoglobine heeft bijvoorbeeld een hogere zuurstofaffiniteit dan volwassen hemoglobine, waardoor de foetus effectiever zuurstof uit het bloed van de moeder kan halen. De gespecialiseerde (gamma)globinegenen die kenmerkend zijn voor foetaal hemoglobine, komen alleen voor bij placentale zoogdieren.

Elk van deze globine-polypeptiden wordt gecodeerd door een ander gen. Bij mensen bevinden globinegenen zich in clusters op twee chromosomen (Figuur (PageIndex{14})). We kunnen concluderen dat deze clusters zijn ontstaan ​​door een reeks duplicaties van een voorouderlijk globine-gen. Gen duplicatie gebeurtenissen kunnen optreden door zeldzame fouten in processen zoals DNA-replicatie, meiose of transpositie. De gedupliceerde genen kunnen onafhankelijk van elkaar mutaties accumuleren. Mutaties kunnen optreden in ofwel de regulerende regio's (bijvoorbeeld promotorregio's), of in de coderende regio's, of beide. Op deze manier zijn de promotors van globinegenen geëvolueerd om in verschillende ontwikkelingsfasen tot expressie te worden gebracht en om eiwitten te produceren die zijn geoptimaliseerd voor de prenatale omgeving.

Natuurlijk zijn niet alle mutaties gunstig: sommige mutaties kunnen leiden tot inactivering van een of meer producten van een genduplicatie. Dit kan produceren wat a . wordt genoemd pseudogen. Voorbeelden van pseudogenen ((psi)) zijn ook te vinden in de globineclusters. Pseudogenen hebben mutaties waardoor ze helemaal niet tot expressie kunnen worden gebracht. De globinegenen bieden een voorbeeld van hoe genduplicatie en -mutatie, gevolgd door selectie, genen in staat stelt gespecialiseerde expressiepatronen en -functies te ontwikkelen. Veel genen zijn geëvolueerd als genfamilies op deze manier, hoewel ze niet altijd bij elkaar zijn geclusterd zoals de globines.


Regelgevende activiteiten van overdraagbare elementen: van conflicten tot voordelen

Transponeerbare elementen (TE's) zijn een productieve bron van strak gereguleerde, biochemisch actieve niet-coderende elementen, zoals transcriptiefactor-bindingsplaatsen en niet-coderende RNA's. Veel recente onderzoeken versterken het idee dat deze elementen alomtegenwoordig worden gecoöpteerd voor de regulatie van gastheergenen. We stellen dat de inherente genetische eigenschappen van TE's en de conflicterende relaties met hun gastheren hun rekrutering voor regulerende functies in verschillende genomen vergemakkelijken. We bespreken recente bevindingen die de al lang bestaande hypothese ondersteunen dat de golven van TE-invasies die organismen eeuwenlang hebben doorstaan, de evolutie van genregulerende netwerken hebben gekatalyseerd. We bespreken ook de uitdagingen van het ontleden en interpreteren van het fenotypische effect van regulerende activiteiten gecodeerd door TE's in gezondheid en ziekte.

Figuren

Figuur 1. Oorsprong van regelgevende activiteiten van TE...

Figuur 1. Oorsprong van TE-regulerende activiteiten en hoe deze van invloed kunnen zijn op gastheergenen


Genregulatie

Cellen brengen (transcriberen en vertalen) slechts een subset van hun genen tot expressie. Cellen reageren en passen zich aan aan omgevingssignalen door de expressie van geschikte genen in of uit te schakelen. In meercellige organismen, cellen in verschillende weefsels en organen differentiëren, of specialiseren door verschillende sets eiwitten te maken, ook al hebben alle cellen in het lichaam (op een paar uitzonderingen na) hetzelfde genoom. Dergelijke veranderingen in genexpressie, of differentiële genexpressie tussen cellen, worden meestal gereguleerd op het niveau van transcriptie.
Er zijn drie brede niveaus van het reguleren van genexpressie:

  • transcriptionele controle (of en hoeveel een gen wordt getranscribeerd in mRNA)
  • translationele controle (of en hoeveel een mRNA wordt vertaald in eiwit)
  • post-translationele controle (of het eiwit in een actieve of inactieve vorm is en of het eiwit stabiel of afgebroken is)

Op basis van onze gedeelde evolutionaire oorsprong zijn er veel overeenkomsten in de manier waarop prokaryoten en eukaryoten genexpressie reguleren, maar er zijn ook veel verschillen. Alle drie de domeinen van het leven gebruiken positieve regulatie (genexpressie aanzetten), negatieve regulatie (genexpressie uitschakelen) en co-regulatie (meerdere genen samen aan- of uitzetten) om genexpressie te beheersen, maar er zijn enkele verschillen in de details van hoe deze banen worden uitgevoerd tussen prokaryoten en eukaryoten.

Overeenkomsten tussen prokaryoten en eukaryoten: promotors en regulerende elementen

promotors zijn plaatsen in het DNA waar RNA-polymerase bindt om transcriptie te initiëren. Promoters bevatten ook, of hebben in de buurt ervan, bindingsplaatsen voor transcriptiefactoren, dit zijn DNA-bindende eiwitten die kunnen helpen bij het rekruteren of afstoten van RNA-polymerase. EEN regelgevend element is een DNA-sequentie die bepaalde transcriptiefactoren herkennen en waaraan ze binden om RNA-polymerase te rekruteren of af te weren. De promotor samen met nabijgelegen transcriptiefactor bindende elementen reguleren gentranscriptie.
Regelgevende elementen kunnen worden gebruikt voor: positief en negatief transcriptionele controle. Wanneer een gen onderhevig is aan positieve transcriptionele controle, bevordert de binding van een specifieke transcriptiefactor aan het regulerende element de transcriptie. Wanneer een gen onderhevig is aan negatieve transcriptionele controle, onderdrukt de binding van een specifieke transcriptiefactor aan een regulerend element de transcriptie. Een enkel gen kan worden onderworpen aan zowel positieve als negatieve transcriptionele controle door verschillende transcriptiefactoren, waardoor meerdere regulatielagen ontstaan.

Sommige genen zijn niet onderhevig aan regulatie: ze zijn constitutief uitgedrukt, wat betekent dat ze altijd worden getranscribeerd. Wat voor soort genen zou je je voorstellen dat een cel altijd aan zou moeten hebben, ongeacht de omgeving of situatie?

Verschillen tussen prokaryoten en eukaryoten: mechanismen van co-regulatie

Vaak is een set eiwitten samen nodig om op een bepaalde stimulus te reageren of een bepaalde functie uit te voeren (bijvoorbeeld veel metabole routes). Er zijn vaak mechanismen om dergelijke genen te co-reguleren, zodat ze allemaal worden getranscribeerd als reactie op dezelfde stimulus. Zowel prokaryotische als eukaryote cellen hebben manieren om genen te co-reguleren, maar ze gebruiken heel verschillende mechanismen om dit doel te bereiken.
In prokaryoten zijn co-gereguleerde genen vaak georganiseerd in een operon, waarbij twee of meer functioneel verwante genen samen van een enkele promotor in één lang mRNA worden getranscribeerd. Dit mRNA wordt vertaald om alle eiwitten te maken die worden gecodeerd door de genen in het operon. Ribosomen beginnen aan het 5'8242-uiteinde, beginnen met vertalen bij het eerste AUG-codon, eindigen wanneer ze een stopcodon tegenkomen en beginnen dan opnieuw bij het volgende AUG-codon.

Een generiek operon in prokaryoten. R = een regulerend eiwit (transcriptiefactor) P = promotor Pol = RNA-polymerase

Op enkele uitzonderingen na (C. elegans en verwante nematoden), hebben eukaryote genomen geen genen die in operons zijn gerangschikt. In plaats daarvan hebben eukaryote genen die samen worden gereguleerd de neiging om dezelfde DNA-regulerende elementsequentie te hebben die is geassocieerd met elk gen, zelfs als die genen zich op totaal verschillende chromosomen bevinden. Dit betekent dat dezelfde transcriptionele activator of repressor de transcriptie kan reguleren van elk afzonderlijk gen waaraan dat specifieke DNA-regulerende element is gekoppeld. Eukaryote HSP-genen (heat shock protein) bevinden zich bijvoorbeeld op verschillende chromosomen. HSP's helpen cellen te overleven en te herstellen van een hitteschok (een soort cellulaire stress). Alle HSP-genen worden gelijktijdig getranscribeerd als reactie op hittestress, omdat ze allemaal een DNA-sequentie-element hebben dat een transcriptiefactor voor hitteschokreactie bindt.

Aanvullende complexiteiten die specifiek zijn voor eukaryote genregulatie: chromatine en alternatieve splicing

Een ander belangrijk verschil tussen prokaryotische genregulatie en eukaryote genregulatie is dat de eukaryote (maar niet prokaryotische) DNA dubbele helix is ​​georganiseerd rond eiwitten genaamd histonen die het DNA organiseren in nucleosomen. Deze combinatie van DNA + histonen heet chromatine.
Chromatine kan worden gecondenseerd in een 30-nm vezelformatie (strak gecompacteerde nucleosomen) of losjes gerangschikt als 'beads-on-a-string', waar het DNA tussen en rond nucleosomen beter toegankelijk is. Deze verdichting wordt gecontroleerd door post-translationele modificaties die aan de histonen in de nucleosomen worden toegevoegd. Wanneer histonen acetylgroepen hebben die eraan zijn toegevoegd door enzymen die histonacetyltransferasen (HAT's) worden genoemd, belemmeren de acetylgroepen fysiek dat de nucleosomen te dicht opeengepakt worden en helpen ze andere enzymen te rekruteren die de chromatinestructuur verder openen. Omgekeerd, wanneer de acetylgroepen worden verwijderd door histondeacetylasen (HDAC's), neemt het chromatine een gecondenseerde formatie aan die voorkomt dat transcriptiefactoren toegang krijgen tot het DNA. In onderstaande afbeelding kun je duidelijk zien hoeveel compacter en ontoegankelijker de 30 nm vezel is (boven) in vergelijking met de kralen-op-een-snaar formatie (onder).

Chromatine speelt een fundamentele rol bij positieve en negatieve genregulatie, omdat transcriptionele activatoren en RNA-polymerase fysiek geen toegang hebben tot de DNA-regulerende elementen wanneer chromatine in een compacte vorm is.
Prokaryotisch DNA heeft enkele geassocieerde eiwitten die helpen bij het organiseren van de genomen, maar het is fundamenteel anders dan chromatine. prokaryotisch DNA kan in wezen worden gezien als 'naakt' vergeleken met eukaryoot chromatine, dus prokaryotische cellen missen deze laag van genregulatie.
Een ander verschil tussen prokaryote en eukaryote genregulatie is dat eukaryote mRNA's op de juiste manier moeten worden verwerkt met toevoeging van de 5'8242-cap, splicing uit introns en toevoeging van de 3'8242 poly(A)-staart (hier in meer detail besproken). Elk van deze verwerkingsstappen is ook onderworpen aan regulering en het mRNA zal worden afgebroken als een van deze niet correct wordt voltooid. De export van mRNA's van de kern naar het cytoplasma wordt ook gereguleerd, evenals de stabiliteit van het correct verwerkte mRNA in het cytoplasma.
Ten slotte hebben eukaryote genen vaak verschillende splitsingsvarianten, waarbij verschillende exons kunnen worden opgenomen in verschillende mRNA's die van hetzelfde gen worden getranscribeerd. Hier zie je een cartoon van een gen met kleurgecodeerde exons en twee verschillende mRNA-moleculen die van dit gen zijn getranscribeerd. De verschillende mRNA's coderen voor verschillende eiwitten omdat ze verschillende exons bevatten. Dit proces heet alternatieve splicing en we zullen het hier meer bespreken.


Vaak brengen verschillende typen cellen in verschillende weefsels verschillende splitsingsvarianten van hetzelfde gen tot expressie, zodat er een hartspecifiek transcript en een nierspecifiek transcript van een bepaald gen is.
In het algemeen is eukaryote genregulatie complexer dan prokaryotische genregulatie. De stroomopwaartse regulerende regio's van eukaryote genen hebben bindingsplaatsen voor meerdere transcriptiefactoren, zowel positieve regulatoren als negatieve regulatoren, die in combinatie werken om het niveau van transcriptie te bepalen. Sommige bindingsplaatsen voor transcriptiefactoren, versterkers en dempers genaamd, werken op een behoorlijke afstand, duizenden basenparen verwijderd van de promotor. Activators zijn voorbeelden van positieve regulatie en repressors zijn voorbeelden van negatieve regulatie.

Eukaryote transcriptie-initiatie, van biologie.kenyon.edu (naar Tjian)

Algemene verschillen en overeenkomsten

Als je de overeenkomsten en verschillen in eukaryote en prokaryotische genregulatie begrijpt, dan weet je welke van de volgende processen exclusief zijn voor eukaryoten, die exclusief zijn voor prokaryoten, die in beide voorkomen, en hoe elk wordt bereikt:

  • gekoppelde transcriptie en vertaling
  • 5'8242 dop en 3'8242 poly(A) staart
  • AUG als het translatie-initiatiecodon
  • regulatie van genexpressie door eiwitten die binden aan DNA-regulerende elementen
  • alternatieve mRNA-splitsing
  • regulering van genexpressie door toegankelijkheid van chromatine

Alles bij elkaar: de lac operon in E coli

De lac operon is een goede modelgen voor het begrijpen van genregulatie. U moet de onderstaande informatie gebruiken om ervoor te zorgen dat u alle details van genregulatie die hierboven zijn beschreven, kunt toepassen op een specifiek genmodel.
E coli lac operon: dubbele positieve en negatieve regulatie

lacI is het gen dat codeert voor het lac-repressoreiwit CAP = katabolietactivatoreiwit O = Operator P = promotor lacZ = gen dat codeert voor bèta-galactosidase lacY codeert voor permease lacA codeert voor transacetylase. Bron: Wikimedia Commons (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lac_operon-2010-21-01.png)

De lac operon van E coli heeft 3 structurele genen die nodig zijn voor het metabolisme van lactose, een disaccharide dat in hoge concentraties in melk wordt aangetroffen:

  • lacZ codeert voor het enzym beta-galactosidase, dat lactose splitst in glucose en galactose
  • lacY codeert voor permease, een membraaneiwit voor gefaciliteerde diffusie van lactose in de cel
  • lacA codeert voor transacetylase, een enzym dat lactose wijzigt

Een mRNA dat voor alle drie de eiwitten codeert, wordt alleen op hoge niveaus getranscribeerd als lactose aanwezig is en glucose afwezig.
Negatieve regulering door de repressor – In de afwezigheid van lactose, het lac-repressor-eiwit, gecodeerd door de lacI gen met een aparte promotor die altijd actief is, bindt aan de Operator-sequentie in het DNA. De operatorsequentie is een type DNA-regulerend element zoals hierboven beschreven. Repressoreiwit gebonden aan de operator voorkomt dat RNA-polymerase transcriptie initieert.
Wanneer lactose aanwezig is, bindt een van lactose afgeleid inductormolecuul allosterisch aan de repressor en zorgt ervoor dat de repressor de operatorplaats verlaat. RNA-polymerase is dan vrij om transcriptie te initiëren, als het succesvol bindt aan de lac promotor.
Positieve regulering door CAP – Glucose is het voorkeurssubstraat voor het energiemetabolisme. Wanneer glucose aanwezig is, transcriberen cellen de lac operon slechts in zeer lage niveaus, zodat de cellen het grootste deel van hun energie uit het glucosemetabolisme halen. RNA-polymerase bindt op zichzelf nogal slecht aan de lac promotor.
Glucosegebrek veroorzaakt een stijging van het niveau van cyclisch adenosinemonofosfaat (cAMP), een intracellulair alarmsignaal. Cyclisch AMP bindt aan het katabolietactivatoreiwit (CAP). Het CAP+cAMP-complex bindt aan de CAP-bindingsplaats nabij de lac promotor en werft RNA-polymerase naar de promotor.
Transcriptie op hoog niveau van het lac-operon vereist zowel dat CAP+cAMP aan de CAP-bindingsplaats is gebonden, en dat de repressor afwezig is in de operator. Deze aandoeningen komen normaal alleen voor bij afwezigheid van glucose en aanwezigheid van lactose.

De lac operon in E coli is een klassiek voorbeeld van een prokaryotisch operon dat onderhevig is aan zowel positieve als negatieve regulatie. Positieve regulatie en negatieve regulatie zijn universele thema's voor genregulatie in zowel prokaryoten als eukaryoten.


Toegangsopties

Krijg volledige toegang tot tijdschriften voor 1 jaar

Alle prijzen zijn NET prijzen.
De btw wordt later bij het afrekenen toegevoegd.
De belastingberekening wordt definitief tijdens het afrekenen.

Krijg beperkte of volledige toegang tot artikelen op ReadCube.

Alle prijzen zijn NET prijzen.


Discussie

Genoomsequencing van een verscheidenheid aan gewervelde en ongewervelde organismen onthulde dat de evolutie van meer complexe structuren niet alleen te wijten is aan de toename van het aantal genen, maar ook aan de verwerving van nieuwe regulerende circuits en als gevolg van nieuwe functies door reeds bestaande genen [20] . Volgens deze visie kan het behoud of de wijziging van cis-regulerende elementen die genen controleren die een primaire rol spelen tijdens de embryonale ontwikkeling helpen verklaren hoe innovaties bij gewervelde dieren zijn verkregen. Van bijzonder belang is het bestuderen van de genen die betrokken zijn bij de vorming van anterieure neurale structuren, waar de belangrijkste verschillen kunnen worden waargenomen tussen gewervelde dieren en andere akkoorden. Gewervelde dieren worden gekenmerkt door zowel morfologische als genetische sleutelfiguren van de cephalische structuren en proberen de mechanismen te begrijpen die hebben geleid tot de evolutie van deze neurale structuren in de akkoordlijn, vormt een intrigerende uitdaging.

We hebben neurale specifieke regulerende elementen van de anterieure Hox genen van drie verschillende chordaatsoorten, de cephalochordate amphioxus, de urochordate Ciona intestinalis en de gewervelde muis om de mechanismen te begrijpen die hebben geleid tot de evolutie van neurale structuren in de akkoordlijn. In deze studie hebben we geïdentificeerd en gekarakteriseerd: cis-regulerende regio's die betrokken zijn bij het beheersen van de neurale expressie van Ciona Hox genen van paraloge groepen 1-4. Samen met ons eerdere werk aan CiHox3 [15], we vinden bewijs voor 5 regulerende regio's die de meeste endogene expressiepatronen lijken te recapituleren voor: CiHox1, CiHox3 en CiHox4 (Figuur ​ (Figuur1, 1 , ​ ,2) 2 ) en zijn specifiek actief in het zenuwstelsel. We maakten directe vergelijkingen van cis-regulerende regio's uit de Cina, amfioxus en muis Hox genen in paraloge groepen 1-4 om te onderzoeken in hoeverre hun cis-regulerende informatie is bewaard gebleven tijdens de evolutie. We hebben experimenteel het vermogen van verschillende anterieure Hox regulerende elementen van amphioxus en muis om te functioneren in Cina embryo's en Cina fragmenten om te werken in embryo's van gewervelde dieren. Deze strategie maakte de identificatie mogelijk van geconserveerde sequenties en schijnbaar niet-geconserveerde sequenties die in staat waren om dezelfde functies in verschillende soorten uit te lokken. Bovendien maakte deze functionele vergelijking de identificatie mogelijk van regulerende regio's die onmogelijk zouden zijn te identificeren alleen op basis van sequentievergelijking. Onze bevindingen leiden tot verschillende algemene observaties die interessante implicaties hebben voor het begrijpen van mechanismen die ten grondslag liggen aan de controle van Hox expressie in het genereren van regionale kenmerken in het voorste zenuwstelsel. Deze kwesties zullen hieronder worden besproken.

cis-regulerende modules die input ontvangen van transcriptiefactoren, zoals Krox20 en Kreisler, spelen een sleutelrol bij het bemiddelen van segmentspecifieke activering van Hox genen in de gewervelde achterhersenen. Deze elementen zijn niet geïdentificeerd door in silico analyse in Cina en amfioxus Hox1-3 regelgevende regio's. Verder zijn de muis Krox20 en Kreisler versterkers aanwezig in ma2, mb2 en ma3 fragmenten waren niet functioneel actief in Cina embryo's. Dezelfde situatie deed zich voor met de muis Hoxa3 en Hoxb3 versterkers getest door Locascio et al. [15], waar de Kreisler-sites niet zijn erkend door de Cina regelgevende machinerie. Deze resultaten, samen met de observatie dat amphioxus anterior Hox genomische fragmenten zijn niet in staat om in muizen- en kippenembryo's enig Kreisler- of Krox-specifiek expressieprofiel [23] te reproduceren, wat erop wijst dat deze manier van vroeg activeren Hox expressie in het voorste CZS is niet aanwezig in Cina of amphioxus en is specifiek voor de gewervelde lijn. Het komt voor dat Cina, amfioxus en gewervelde dieren gebruiken verschillende sets van factoren van elkaar om hun vroege domeinen van Hox expressie, die verschillen in hun respectieve embryogene processen kan weerspiegelen. Het is echter mogelijk dat er enkele overlappingen zijn in de signaalroutes die direct initiëren Hox expressie of verschillende stroomopwaartse factoren die op hun beurt activeren Hox uitdrukking in Cina, amfioxus en gewervelde dieren. Retinoïde-signalering activeert bijvoorbeeld direct gewervelde groep 1 en groep 4 Hox genen door middel van RARE's die in de buurt van de genen zijn gepositioneerd [40,44-46], en AmphiHox1 bevat RARE's die de expressie ervan activeren [22,23]. AmphiHox1, 2, 3 en 4 collineaire expressie in het CZS is aangetoond te worden gecontroleerd door RA-signalering [5]. Verder amfioxus Hox regulerende elementen bestudeerd in muizen- en kippenembryo's toonden het bestaan ​​aan van geconserveerde retinoïnezuurafhankelijke neurale elementen [22,23]. In Cina, is alleen een epidermaal ZELDZAAM element geïdentificeerd in de CiHox1 gen [29] en we hebben geen RARE's gevonden in de zenuwspecifieke regulerende regio's van Ciona CiHox1-4 genen. Bovendien, muis RARE-elementen in de mb1ZELDZAAM en md4 fragmenten sturen geen reporterexpressie in Cina (data niet weergegeven). Dit komt overeen met rapporten die Cina embryo's kunnen een zeer verminderd vermogen hebben om te reageren op retinoïnezuur [22,27,28]. Bij gewervelde dieren kunnen retinoïde-, FGF- en Wnt-signalering allemaal dienen als posterieure invloeden om te moduleren Hox expressie, en de relatieve mate waarin een of een combinatie van deze routes bijdragen aan Hox regelgeving kan variëren tussen soorten. Daarom zal het belangrijk zijn om te beoordelen in welke mate de input van deze drie routes kan worden betrokken bij het reguleren van initiële Hox uitdrukking in Cina, amfioxus en gewervelde dieren.

Ondanks de verschillen in activering van Hox expressie, geven onze analyses aan dat auto- en cross-regulatory inputs van Hox genen zelf is een geconserveerd mechanisme voor het in stand houden van patronen van Hox uitdrukking alleen in Cina maar niet in amphioxus-embryo's. Regelgevende regio's van CiHox1 en CiHox3, die endogeen recapituleren Cina uitdrukking, dien als Hox reactie elementen. De Ciona CiHox1 (1UP1.4) en CiHox3 (1CiHox3) regulerende sequenties wanneer getest in muizen- en kippenembryo's genereren reporterexpressie in rhombomere 4 op een manier die vergelijkbaar is met de muis mb1, mb2 en ma2 versterkers (tabel ​ (tabel 1). 1 ). Van deze drie muisversterkers is aangetoond dat ze dienen als: Hox respons-elementen afhankelijk van de binding van Hox/Pbx- en Meis-complexen. Bovendien, wanneer de muis mb1 versterker is getest in Cina het stuurt de expressie van de verslaggever in een patroon dat lijkt op endogeen CiHox1 expressie (figuren 6A, B). We hebben experimenteel aangetoond dat Ciona 1UP1.4 expressie staat onder controle van Hoxb1/Pbx regulerende complexen (figuren 7A, B). Bovendien, in silico vergelijking van de Cina sequenties onthullen meerdere Hox/Pbx/Meis-bindingsplaatsen, vergelijkbaar met die gevonden in de r4-specifieke regulerende elementen van muis (Tabel ​ (Tabel 3). 3 ). Als controle analyseerden we ook de andere muisversterkers die in dit onderzoek werden getest en die geen functionele Hox/Pbx-bindingsplaatsen bevatten en de Cina elementen die niet worden uitgedrukt in rhombomere 4 (grijze achtergrond). Samen onderstrepen deze gegevens de belangrijke en behouden rol die auto- en kruisregulering spelen bij het reguleren Hox uitdrukking in de Cina zenuwstelsel. Omdat Hox-eiwitten kunnen dienen om zowel activiteit te activeren als te onderdrukken, zoals Hox antwoordelementen integreren mogelijk invoer van meerdere Hox genen om hun beperkte patronen te behouden na initiële activering door verschillende stroomopwaartse factoren.

De meeste amfioxus Hox1-3 regulerende sequenties getest in Cina embryo's werkten helemaal niet. De 2B fragment, de enige die actief is in Cina embryo's, gerichte expressie in het voorste CZS, maar niet op een manier die doet denken aan een segmentspecifiek profiel dat typerend is voor Hox/Pbx-regulerende complexen. Deze amphioxus-elementen zijn ook getest bij gewervelde dieren, maar nogmaals, geen van hen was in staat om enige r4- of segmentspecifieke expressie in kippen- of muizenembryo's te sturen [23]. Ondanks het ontbreken van specifieke experimenten met amphioxus Hox1-3 elementen en Hox/Pbx-complexen, gezien de evolutionaire positie van cephalochordaten aan de basis van de chordaatoorsprong, lijken deze resultaten erop te wijzen dat dit auto- en kruisregulerende mechanisme niet aanwezig is in cephalochordaten en dus later in de evolutie verscheen na hun divergentie maar vóór het verschijnen van urochordaten.

tussen alle Hox genomische fragmenten getest door elektroporatie is het duidelijk dat de Ciona 1UP1.4, 2D0.8, 4UP1.3, 1CiHox3 en muis mb1 genomische fragmenten bevatten regulerende elementen die specifiek actief zijn in het CZS van Cina embryo's op het niveau van het sensorische blaasje of van zijn voorlopers (tabel ​ (tabel 1). 1). Deze uitdrukking is niet specifiek voor iemand Ciona Hox gen en illustreert de aanwezigheid van meerdere elementen afgewisseld tussen alle anterieure Ciona Hox genen en geconserveerd tot gewervelde dieren. De in silico-analyse van deze genomische fragmenten toonde aan dat in al deze sequenties een bepaalde Pax6-bindingsplaats aanwezig is. Alle andere Cina en muisfragmenten die de expressie van de reporter in de Cina sensorische blaasjes missen deze herkenningssequentie, wat suggereert dat het belangrijk is voor regulerende activiteit.

Pax6 in Cina embryo's, komt tot expressie in het sensorische blaasje en in zijn voorlopers in het staartknopstadium [47] en is daarom een ​​goede kandidaat om het gemeenschappelijke expressieprofiel van deze Cina en muiselementen. Aangezien het sensorische blaasje niet overeenkomt met een van de Ciona Hox specifiek territorium van expressie, kunnen deze elementen alleen actief worden wanneer ze uit hun natuurlijke context worden gehaald, wat suggereert dat repressor-elementen in de genen deze elementen normaal gesproken het zwijgen opleggen.


Een nieuw soort regulerend element in het genoom

De gemeenschappelijke, tweestrengige spiraalvormige structuur van DNA werd meer dan honderd jaar geleden ontdekt. Veel onderzoekers zouden verder ontdekken dat DNA-moleculen andere soorten secundaire structuren zouden kunnen vormen, zoals de vierstrengige G-quadruplex (G4). Aan het eind van de jaren 80 begonnen wetenschappers bewijs te vinden dat G4's zich in cellen konden vormen, hoewel hun exacte doel niet goed werd begrepen. In de afgelopen jaren hebben wetenschappers ontdekt dat veel moleculen kunnen interageren met G4-DNA, inclusief transcriptiefactoren die helpen bij het beheersen van genexpressie.

Wetenschappers hebben voorgesteld dat DNA-gebieden waar G4's de neiging hebben zich te vormen in het genoom worden gehouden door natuurlijke selectie, en dat G4's een cruciale rol spelen bij het reguleren van genexpressie. Een nieuwe studie heeft gesuggereerd dat G4-elementen die in regulerende regio's van het genoom liggen die functioneel zijn maar niet coderen voor eiwit, stabieler zijn en vaker kunnen worden gevonden dan G4-elementen die zich in eiwitcoderende genen bevinden. Het werk, dat werd gemeld in Genoomonderzoek, heeft gesuggereerd dat regio's die G4-structuren vormen een ander functioneel onderdeel van het genoom zijn, zoals bijvoorbeeld niet-coderend RNA.

"Er zijn slechts een handvol onderzoeken geweest die experimenteel bewijs hebben geleverd voor individuele G4-elementen die een functionele rol spelen", merkte de eerste studieauteur Wilfried Guiblet, Ph.D. "Onze studie is de eerste die naar G4's over het hele genoom kijkt om te zien of ze de kenmerken van functionele elementen als algemene regel vertonen."

Er wordt geschat dat één procent van het genoom in staat is om een ​​G4-structuur te genereren (minder dan 2 procent van het genoom codeert voor eiwit). G4-regio's bevatten veel guanine, de 'G' nucleotidebase. Verschillende onderzoeken hebben associaties gevonden tussen G4-DNA en normale cellulaire processen en ziekten, waaronder kanker.

"De driedimensionale structuur van G4's kan zich tijdelijk vormen en hoe stabiel hun structuur is, hangt af van hun onderliggende DNA-sequentie en andere factoren", zei Guilbet. "We ontdekten dat G4's die zich in functionele regio's van het genoom bevinden, meestal stabieler zijn. Met andere woorden, het is waarschijnlijker dat het DNA op een bepaald moment in een G4 wordt gevouwen en dus waarschijnlijker dat de G4 daar om een ​​functionele reden is."

Belangrijke delen van het genoom moeten behouden blijven. genen die betrokken zijn bij cruciale processen veranderen niet veel in de tijd en zijn vaak vergelijkbaar van soort tot soort. Van deze regio's wordt gezegd dat ze in stand worden gehouden door zuiverende selectie, die mutaties elimineert die in deze genetische sequenties ontstaan. Maar andere delen van het genoom zijn meer vatbaar voor het veranderen van mutaties in deze sequenties die mogelijk geen negatieve biologische impact hebben en er wordt gedacht dat ze neutraal evolueren. G4-elementen kunnen zich in een van deze regio's bevinden.

Recent werk van dit team heeft gesuggereerd dat G4's een hoge mate van mutatie hebben en dat G4's in stand worden gehouden door selectie te zuiveren, zelfs als ze zich buiten belangrijke, eiwitcoderende regio's bevinden. De onderzoekers suggereerden dat dit aangeeft dat het noodzakelijke functionele elementen zijn.

"We kunnen de veranderingspatronen in een DNA-sequentie tussen menselijke individuen en tussen mensen en onze naaste verwanten van primaten bekijken als een test voor natuurlijke selectie en vervolgens selectie gebruiken als een indicator van functie. Onze tests tonen aan dat G4's die zich in functionele regio's van het genoom bevinden onder zuiverende selecties lijken te staan, wat verder bewijs is dat G4's als functionele elementen moeten worden beschouwd, "legde studieleider Yi-Fei Huang, een assistent-professor biologie aan Penn Staat. "De enige uitzondering op dit patroon waren eiwitcoderende regio's van genen, waar G4's relatief ongewoon en nogal onstabiel zijn en niet evolueren onder zuiverende selectie. G4's in eiwitcoderende regio's van genen zijn mogelijk niet-functioneel en duur om te onderhouden."

"We denken dat we bewijs zien voor een paradigmaverschuiving voor hoe wetenschappers functie in het genoom definiëren", zei medeleider van het onderzoek, Kateryna Makova, de Verne M. Willaman Chair of Life Sciences bij Penn State. "First, geneticists focused almost exclusively on protein-coding genes, then we became aware of many functional non-coding elements, and now we have G4s and possibly other non-B DNA elements. Three-dimensional structure may be just as important for defining function as the underlying DNA sequence."


Bekijk de video: BIO6 - Evolutie: soortvorming (December 2021).