Посещений:
Роль энхансеров и транскрипционных факторов
Transcriptional Regulation and Implications for Controlling Hox Gene Expression Zainab Afzal and Robb Krumlauf
J. Dev. Biol. 2022, 10(1), 4; https://doi.org/10.3390/jdb10010004
|
Hox genes play key roles in axial patterning and regulating the regional identity of cells and tissues in a wide variety of animals from invertebrates to vertebrates. Nested domains of Hox expression generate a combinatorial code that provides a molecular framework for specifying the properties of tissues along the A-P axis. Hence, it is important to understand the regulatory mechanisms that coordinately control the precise patterns of the transcription of clustered Hox genes required for their roles in development. New insights are emerging about the dynamics and molecular mechanisms governing transcriptional regulation, and there is interest in understanding how these may play a role in contributing to the regulation of the expression of the clustered Hox genes. In this review, we summarize some of the recent findings, ideas and emerging mechanisms underlying the regulation of transcription in general and consider how they may be relevant to understanding the transcriptional regulation of Hox genes.
|
Животные демонстрируют поразительное разнообразие планов тела, и существует огромный интерес к пониманию того, насколько консервативные и различные механизмы лежат в основе этого разнообразия в формировании и развитии основных планов тела в эволюции животных. В эволюции хордовых появляются доказательства существования глубоко консервативной регуляторной сети, включающей транскрипционные факторы (TFs) и сигнальные пути, которые регулируют формирование плана вдоль передне-задней оси тела (A-P) [1-6]. Примечательно, что, несмотря на очень разные морфологии хордовых, многие ключевые TFs и компоненты основных сигнальных путей (например, Wnts и FGFs), которые, как известно, регулируют процессы развития, как было показано, сходным образом расположены вдоль оси A-P. Это позволяет предположить, что регуляторные взаимодействия между сигнальными путями и основными TFs создают консервативную генную регуляторную сеть (GRN), которая направляет формирование основного плана тела и формирование паттерна вдоль оси A-P. Однако вопрос о том, как TFs связаны с этими древними сигнальными путями и как они интегрируют реакции на сигнальные градиенты, до конца не изучен.
Высоко консервативное семейство генов HOX является примером TFs, которые связаны с этой древней GRN. Известно, что гены Hox играют ключевую роль в формировании осевого паттерна и регулировании региональных качественных особенностей (идентичности) клеток и тканей у широкого спектра животных от беспозвоночных до позвоночных [7-11]. Сгруппированные гены Hox обладают интересным свойством, известным как коллинеарность [12-16]. Все гены в четырех кластерах Hox млекопитающих транскрибируются в одном направлении от 5' до 3' в отношении транскрипции, и порядок расположения генов Hox в каждом кластере на хромосоме соответствует их временным и пространственным областям экспрессии и функциям вдоль оси A-P развивающегося эмбриона (рис. 1). Эти вложенные домены экспрессии создают комбинаторный Hox-код, который обеспечивает молекулярную основу, служащую ключевым регуляторным шагом в определении региональной идентичности и свойств тканей вдоль оси A-P. Широкий спектр исследований на различных видах и моделях клеточных культур показал, что последовательные домены экспрессии Hox вдоль оси A-P частично возникают благодаря способности кластеров Hox интегрироваться и отвечать на противоположные сигнальные градиенты, такие как ретиноевая кислота (RA), факторы роста фибробластов (Fgfs) и связанные с Wingless интеграционные сайты (WNTs) [5,17-29]. Следовательно, важно понять регуляторные механизмы, посредством которых сигнальные пути способны координированно контролировать точные паттерны транскрипции кластеризованных генов Hox, необходимых для их роли в определении различных морфологических особенностей вдоль оси A-P.
Figure 1. The mammalian Hox gene clusters and the conserved signaling pathways that play a role in defining the Hox gene expression profiles. (A) In mammals, there are four clusters of Hox genes, each on different chromosomes. They exhibit spatial and temporal collinearity, such that 3? Hox genes are expressed early in development as well as more anteriorly in an embryo generating nested domains of expression as depicted in the drawing of an E10 mouse embryo. (B) The restricted domains of Hox expression arise through an integration of signaling molecules such as RA, FGF and WNT, which are expressed in gradients along the embryonic axis. PSM, presomitic mesoderm.
В случае RA-сигнализации гены Hox являются прямыми транскрипционными мишенями для ретиноидов, и их ответ на RA-сигнализацию включает элементы ответа на ретиноевую кислоту (RAREs), встроенные внутри и рядом с кластерами Hox [18,30-32]. Эти RARE являются цис-регуляторными компонентами RA-зависимых энхансеров, которые обеспечивают регуляторный вход как локально на соседние гены Hox, так и на большом расстоянии для координации регуляции нескольких генов в кластере Hox [33-38]. Такая тесная кластерная организация цис-регуляторных элементов и контролируемых ими генов Hox вызывает интересные вопросы в отношении роли топологии хромосом, эпигенетических модификаций, динамики транскрипции и лежащих в основе транскрипционных механизмов того, с помощью которого энхансеры проявляют избирательность или конкуренцию между генами, и могут быть общими для нескольких генов в кластере [39]. Важно, чтобы эти разнообразные аспекты транскрипционной регуляции были правильно скоординированы для обеспечения правильных пространственно-временных паттернов и соответствующих уровней экспрессии, необходимых для их роли в осевом формировании паттерна.
Появление новых технологий для изучения динамики взаимодействий, лежащих в основе активации транскрипции, приводит к удивительным результатам. Эти наблюдения ставят под сомнение широко постулируемую роль стабильных долгосрочных взаимодействий энхансер-промотор и представление об одной РНК-полимеразе с небольшим числом компонентов, регулирующих транскрипцию [40-49]. Новые модели предполагают, что в основе активации транскрипции и регуляции экспрессии генов лежат динамические condensates и механизмы, включающие ряд быстрых и сложных взаимодействий. Будет интересно и важно понять, как эта новая картина динамических молекулярных механизмов, управляющих транскрипцией, играет роль в модуляции входов, контролирующих скоординированную экспрессию кластеризованных генов Hox. В этом обзоре мы суммируем некоторые из последних находок, идей и новых механизмов, лежащих в основе регуляции транскрипции в целом, и рассмотрим, какое отношение они имеют к транскрипционной регуляции генов Hox.
2. Regulatory Features
2.1. Enhancers
Впервые энхансеры были обнаружены в simian вирусе 40 (SV40), и было установлено, что они функционируют в независимой от ориентации манере, стимулируя транскрипцию гетерологичных генов [50]. С тех пор целый ряд анализов показал, что геномы животных содержат большое количество предполагаемых энхансеров, превосходящих по количеству кодирующие гены [51,52]. Идентифицировать цис-регуляторные элементы, такие как энхансеры, закодированные в геноме, только с помощью анализа последовательности и вычислительных методов довольно сложно [53]. Основные усилия были направлены на поиск способов идентификации и характеристики энхансеров и их свойств в масштабах всего генома и на индивидуальной основе, что важно для облегчения нашей способности расшифровывать регуляторную информацию, заложенную в геноме [54-60]. В то время как многие энхансеры, специфичные для развития, включая некоторые из обнаруженных в кластерах Hox, эволюционно консервативны [35,61-63], многие энхансеры, специфичные для взрослых или тканей, могут быть весьма изменчивы у разных видов [64,65]. Даже когда энхансеры высоко консервативны, бывает сложно понять информационное содержание и критическое расположение цис-элементов, которые определяют их способность регулировать экспрессию [54,59,60]. Более того, высоко консервативные паттерны экспрессии генов могут возникать через энхансеры, которые демонстрируют дивергенцию [65]. Энхансеры служат для стимуляции транскрипции, объединяя множество различных регуляторных воздействий и сайтов связывания для TFs, чтобы обеспечить точные временные, пространственные и специфические для клеточного типа программы экспрессии генов. Точные регуляторные воздействия энхансеров не требуют, чтобы вышележащие факторы имели сильно ограниченные области экспрессии, и могут возникать в результате кумулятивной интеграции слабых, неточных или широко распространенных воздействий TFs [66,67]. Конвергенция воздействий может привести к интеграции разрозненных и очень широких моделей регуляторных сигналов в надежные и жестко контролируемые специфические результаты. Аналогичным образом, кластеры слабых энхансеров могут синергично объединяться и служить супер-энхансерами для надежной регуляции экспрессии генов [68].
Энхансеры могут располагаться непосредственно перед геном или на расстоянии более мегабазы от промотора гена мишени [69,70]. Они часто располагаются в интронах генов, даже в тех, которые они не регулируют [70], и есть доказательства того, что энхансеры и цис-регуляторные элементы встроены в кодирующие экзоны, включая экзоны генов Hox [71-73]. Исследования показали, что регионы энхансеров сами по себе транскрипционно активны. Несколько групп продемонстрировали, что некодирующие энхансерные РНК - это не просто транскрипционный шум или побочные продукты транскрипционного механизма, а полезные индикаторы для предсказания активных энхансеров [74].
Сложность идентификации мишеней активности энхансеров заключается в том, что они могут функционировать независимо от своей ориентации относительно генов-мишеней и могут осуществлять дальние энхансер-промоторные контакты не только с ближайшими соседними генами [75]. Как правило, средний энхансер позвоночных может находиться на расстоянии ~5-50 кб от промоторов мишеней и ~1-10 кб в более компактном геноме дрозофилы [39]. Интересно, что близость энхансера к целевому промотору, необходимая для функциональной активности, варьирует. Следовательно, не существует четких правил, как близко должны располагаться энхансеры по отношению к промоторам, которые они активируют. Некоторые исследования показали с помощью методов лигирования, зависящих от близости, таких как 3C (Chromatin conformation capture), что энхансеры физически вступают в контакт с промоторами, что приводит к активации транскрипции генов [76]. Методы визуализации показали, что после активации генов расстояние между энхансерами и их целевыми промоторами увеличивается, что свидетельствует об изменении их взаимодействия в зависимости от состояния активности [77]. В связи с этим возникают фундаментальные вопросы: как энхансеры определяют местоположение и различают гены-мишени, которые они активируют; что обеспечивает специфичность энхансер-промотора взаимодействия; и какая степень близости необходима для взаимодействия энхансеров, необходимого для регуляции генов [39,55,69,75-80]?
Эти вопросы актуальны для понимания регуляции кластеров Hox из-за высокой плотности генов и компактной природы кластеров. Энхансеры, встроенные в отдельный кластер Hox и фланкирующие его, могут проявлять селективные предпочтения, конкуренцию между генами и регулировать как соседние гены, так и действовать более глобально на другие гены в комплексе. Например, в комплексе Hoxb мыши в середине кластера есть три RARE, два выше и один ниже по течению Hoxb4 (рис. 2А), которые участвуют в опосредовании его ответа на RA путем регуляции множества кодирующих и длинных не-кодирующих (lncRNAs) транскриптов [33,35,37,81]. Один из этих RARE (DE-RARE) является важным цис-элементом RA-зависимого энхансера, который подвергается эпигенетическим модификациям и необходим для координации глобальной регуляции генов Hoxb в гемопоэтических стволовых клетках [34]. Такая функциональная роль энхансера вызывает много вопросов относительно механизмов, с помощью которых DE-RARE участвует в регуляции такого большого количества транскриптов, как происходит выбор мишеней и динамика этого процесса. Почему, напротив, другие энхансеры, встроенные в кластер Hoxb, действуют только на один близлежащий ген [37,62,82-84]?
Figure 2. Transcriptional complexity of the Hoxb gene cluster and binding of HOX Transcription factors to DNA (A) A drawing of the Hoxb gene cluster to illustrate that non-coding RNAs as well as enhancers that contain RAREs (Retinoic Acid Response Elements) are interspersed within the coding Hox genes. The enlargement of the Hoxb4-Hoxb5 region shows the complexity within the region that contains three RAREs, two present upstream of Hoxb4 and one present downstream of Hoxb4 and two non-coding RNAs, Hobbit and HoxBlinc. Brown boxes flank the cluster depict boundary elements, colored squares are different Hox genes, pink boxes are non-coding RNAs, and green lines represent RARE enhancers. (B) Depicts the consensus DNA binding sites for HOX proteins and their binding partners, the TALE proteins PBX and MEIS. HOX proteins can bind on Hox-Pbx bipartite sites, or they can bind on DNA in ternary complexes along with both PBX and MEIS. Blue ovals are HOX proteins, and grey ovals are TALE protein binding partners.
2.2. Transcription Factors and Their Impact on Enhancer Activity
Одна из причин, по которой трудно определить и предсказать функции энхансеров, связана с нашим уровнем понимания TFs и их свойств [55]. TFs не связываются изолированно, и их специфичность связывания или другие свойства зависят от кофакторов, взаимодействующих белков и эпигенетических состояний [85,86]. ДНК-связывающие домены семейств TFs обычно распознают 6-12 пар оснований консенсусных мотивов, определенных in vitro, и эти TFs могут активировать и/или репрессировать транскрипцию [87-90]. Однако экспериментально охарактеризовать правила и основы контекстно-специфической деятельности TFs in vivo может быть непросто. Гены Hox кодируют TFs, которые, как считается, играют высоко консервативные роли у разных видов, и исследования их свойств служат иллюстрацией некоторых сложных вопросов для понимания того, как TFs вносят вклад в активность и функцию энхансеров.
In vitro белки HOX демонстрируют очень похожие свойства связывания ДНК [87-95]. Однако in vivo их связывающие свойства и функции могут заметно отличаться [96,97]. Некоторые представления об основе этих различий были получены в результате экспериментальных исследований, которые показали, что гены Hox обнаруживают множество ауто- и кросс-регуляторных воздействий для контроля их экспрессии. Характеристика эндогенных элементов HOX-ответа позволила понять их свойства in vivo и взаимодействие с кофакторами [38,83,85,98-100]. Специфичность связывания белков HOX обусловлена не только способностью гомеодомена распознавать короткий AT-богатый мотив (ATTA), определенный in vitro, но и другими доменами, прилегающими к гомеодомену (гексапептид) и в различных регионах белков HOX, которые могут влиять на его специфичность и способность связывать ДНК [85,97,101-103]. Природа этой измененной специфичности белков HOX на целевых последовательностях в значительной степени связана с их способностью взаимодействовать с кофакторами, в частности с членами семейства TALE, PBX и MEIS (рис. 2B) [85,86,97,99,103-107]. Белки HOX взаимодействуют с белками PBX через многочисленные домены, что изменяет их предпочтения к целевым сайтам мишеням. Димеры HOX-PBX связываются с двухсторонним мотивом HOX-PBC и могут образовывать тройной комплекс с белками MEIS [108-110]. Этот двухсторонний мотив HOX-PBC высоко обогащен в геномном анализе регионов-мишеней HOX, выявленных с помощью анализа иммунного осаждения хроматина (ChIP) [96,97,99,111-113], что подчеркивает важную роль белков TALE как кофакторов в потенцировании функций HOX.
Если кластеризованное семейство генов Hox и его организационные особенности высоко консервативны у животных, то как насчет функциональных ролей белков HOX? Генетический анализ паралогичных членов группы Hox выявил множество перекрывающихся ролей [114-118], но есть также доказательства специфических транскрипционных функций in vivo [97,119] и специфических предпочтений связывания, которые зависят от типа клеток [67,95]. Кроме того, неизвестно, существует ли консервативная предковая роль для дуплицированных и дивергированных паралогичных генов Hox у позвоночных, или они приобрели новые функции. Недавние межвидовые функциональные исследования паралогов HOX1 мыши, родственных labial у дрозофилы, показали, что, несмотря на 35% аминокислотную идентичность между белками, мышиный HOXA1 сохранил предковую активность Labial [97]. Другие паралоги мышиного HOX1, HOXB1 и HOXD1, демонстрируют измененные свойства связывания ДНК, и они диверсифицировались, принимая на себя новые функциональные роли. Основой для сохранения активности предков и новых функциональных свойств является небольшое количество тонких аминокислотных изменений в доменах вне гомеодомена, которые, по-видимому, изменяют взаимодействие с белками TALE [97]. Было обнаружено, что небольшие, ранее не охарактеризованные домены в других белках HOX также изменяют связывающие свойства при взаимодействии с кофакторами TALE [102], это указывает на то, что это может быть общим механизмом, используемым в эволюции для модуляции активности и взаимодействия белков HOX и других TFs. Это иллюстрирует трудности в предсказании свойств связывания и функциональных ролей близкородственных белков TFs и может помочь объяснить, как они оказывают различное влияние на активность энхансера.
Недавно было показано, что белки HOX, связанные со специфическими энхансерами, обеспечивают тканеспецифический транскрипционный результат, изменяя активность белков TALE [120]. Существуют доказательства того, что HOX белки обладают пионерной активностью, например, HOX TFs задних Hox генов имеют различное сродство к уплотненному хроматину [121] или могут изменять доступность хроматина [90]. Поэтому для глубокого понимания того, как работают Hox-ответственные энхансеры, важно понимать, сколько и какие виды TFs связываются с энхансером, правила или синтаксис их расположения и организации, позиции близлежащих мотивов и идентичность мотивов, которые могут служить для синергизма или антагонизма их активности [54]. Более того, изменения эпигенетических состояний могут изменить эти отношения, чтобы помочь или предотвратить связывание и активность. Для механистического понимания координатной регуляции генов Hox нам необходимо понять "грамматику" энхансеров, которая диктует связывание TFs с ДНК и их корреляцию с функциональными результатами.
2.3. Genome Organization and Its Impact on Enhancer Activity
Хроматин пространственно организован в ядре, и ряд исследований показал, что отдельные организованные домены хроматина способствуют таким процессам, как регуляция экспрессии генов, репликация и репарация ДНК и уплотнение хромосом [122]. Механизмы, лежащие в основе того, как динамика расположения хромосом влияет на функции, до сих пор неясны [123]. Технологические достижения, особенно анализы захвата хроматина (например, Hi-C), показали, что геномы организованы в топологически связанные домены (TADs) [124-126]. TADs физически ограничивают сегменты хроматина, и есть данные, свидетельствующие о том, что энхансеры и их гены-мишени часто находятся в пределах одного и того же TAD [39,127]. Энхансеры могут взаимодействовать с другими энхансерами в TAD и обычно не взаимодействуют и не активируют гены за пределами TAD [124-126]. Что касается генов Hox, то анализ показал, что дальние контакты энхансер-промотор ограничены пределами TAD, содержащего кластер Hoxa [128]. Интересно, что границы TAD не являются фиксированными и могут меняться. Элегантные генетические и молекулярные исследования группы Duboule показали, что границы TAD в кластере Hoxd могут смещаться в течение развития, изменяя способность дальнего энхансера конечности регулировать экспрессию в эмбрионах и пальцах [124,129-132]. Взаимодействие промоторов энхансеров внутри TAD, по-видимому, коррелирует с уровнем экспрессии генов, а взаимодействие энхансеров за пределами TAD может подавляться пограничными элементами, присутствующими на краях TAD [131,133,134]. Эти пограничные элементы содержат инсуляторные белки, такие как CTCF, и такая организация хроматина на основе TAD, как полагают, помогает предотвратить нежелательные взаимодействия энхансеров и влияние на экспрессию генов [133]. Важность участков CTCF в регуляции генов кластера Hoxa была показана на клетках и эмбрионах [128,131,135]. Следовательно, нарушение границ TAD может быть связано с болезненными состояниями [127,136-138].
Регуляция генов цис-элементами в пределах TADs подразумевает, что должны существовать особенности и механизмы, влияющие на стабильные и/или динамические контакты между регуляторными элементами и их целевыми промоторами для содействия точной транскрипционной активности. Были предложены модели, такие как связывание [139] и отслеживание [140], для того, как энхансеры могут активировать гены, но новые данные, указывающие на очень быструю динамику, затрудняют объяснение или предсказание активности энхансеров с помощью этих существующих моделей [39]. Механизм, который в настоящее время кажется правдоподобным, основан на наличии хроматиновых петель, которые могут быть сформированы с помощью модели петли-экструзии [141,142]. Модель петли-экструзии постулирует, что ДНК выдавливается в петлю при помощи белков Structural Maintenance of Chromosome (SMC), таких как когезин и конденсин. Они сжимают ДНК, и эти белки прекращают перемещение ДНК в петлю, когда достигают правильно ориентированных участков CTCF [122,143]. Этот механизм также позволяет петлям формироваться внутри TADs, и динамические контакты энхансеров можно представить как формирование различных конформаций петель для активации или ингибирования транскрипции. Для генов Hoxb было показано, что активные гены выходят за пределы хромосомных территорий, и этот выход коррелирует с транскрипционной активностью [144]. Весь кластер Hoxb находится в одном TAD [124], и он может служить примером для постулирования различных конформаций петель, связанных с ранее идентифицированными энхансерами, участвующими в активации конкретных генов Hoxb (рис. 3A) [18,33,34].
Figure 3. Schematic of how the chromatin may loop to activate genes within the transcriptionally complex Hoxb gene cluster (A) Different loop confirmations envisioned for activation of specific genes within the Hoxb cluster, which contains several enhancer elements (such as DE, B4U and ENE) as well as coding and non-coding genes. (B) Inference [41,44] for how nascent Hoxb transcripts may promote condensate formation to increase nascent transcription, and subsequently, how an increased number of nascent transcripts may inhibit transcription by promoting condensate dissolution. Brown boxes at cluster edges depict boundary elements, blue and pink colored ovals depict coding genes and non-coding RNAs, respectively, and green ovals are RARE enhancers.
Было показано, что TAD обеспечивают регуляторные контакты, которые происходят в пределах их границ [145], и поэтому представляются критическими для поддержания регуляции генов. Однако, как ни странно, мутации в сайтах связывания CTCF [125,146] и когезии [147] не нарушают компартментализацию генома и не оказывают существенного влияния на экспрессию генов, даже если они нарушают TADs [148]. Это указывает на то, что не существует абсолютной корреляции между формированием TAD и правильной регуляцией экспрессии генов. Возможно, формирование TAD не обязательно ограничивает или стимулирует все контакты энхансеров, оно их смещает [149]. Действительно, для энхансеров, находящихся на ранних стадиях развития, было замечено, что они могут находиться вблизи своих целевых промоторов еще до формирования TAD и экспрессии соответствующих генов [150]. Более того, было показано, что несколько цис-регуляторных модулей могут конкурировать друг с другом, находясь в одном и том же TAD или регуляторном узле, и что эти регуляторные узлы формируются до активации транскрипции [151]. Таким образом, оказывается, что формирование TADs и активация генов не всегда должны быть последовательными.
Дополнительную сложность добавляет тот факт, что расстояния между энхансерами и промоторами и транскрипционные состояния не имеют последовательной корреляции. В то время как некоторые исследования показали, что при уменьшении близости энхансер-промотора или образовании петель под действием силы происходит увеличение транскрипции генов [79,152-154], другие группы показали, что активные транскрипционные состояния коррелируют с увеличением расстояния энхансер-промотор [77,155]. Более того, регуляторные анализы показали, что несколько, казалось бы, избыточных или теневых энхансеров работают вместе для точной настройки устойчивости экспрессии генов [35,156,157]. Недавно также было показано, что теневые энхансеры могут помочь уменьшить транскрипционный шум, возникающий из-за колебаний уровней TFs [158]. В связи с этим возникает вопрос о том, как теневые энхансеры и их аналоги координируют взаимодействие с промоторами для модуляции активности и устойчивости экспрессии генов.
У эукариот транскрипция генов происходит в виде всплесков [153,159-61]. Было высказано предположение, что регуляция транскрипционных всплесков происходит в конденсатах, содержащих все необходимые регуляторные компоненты [40,42,43,45,162]. Было предложено, что активация транскрипции представляет собой двухэтапный процесс [39]. Сначала энхансеры должны достичь "состояния готовности к работе", о чем свидетельствует присутствие приостановленного Pol II и нахождение в непосредственной близости от целевых промоторов [150,163]. Во-вторых, в ответ на активирующий сигнал происходят топологические и пространственные изменения, приводящие к активации транскрипции [39]. Если активация транскрипции происходит в границах конденсата, то медиаторные комплексы, преинициаторные комплексы и Pol II, присутствующие в конденсате, могут действовать как мосты или соединители между энхансерами и промоторами [164]. В этой модели не требуется строгих физических контактов между усилителем и промотором, а для активации транскрипции может быть достаточно расстояния в 100-300 нм между усилителями и промоторами [165]. Для углубления понимания динамики энхансеров-промоторов необходима визуализация с высоким разрешением и, желательно, живая визуализация транскрипционных событий наряду с визуализацией расположения аллелей. Это позволит получить результаты измерений, которые помогут понять, как энхансеры динамически взаимодействуют локально или глобально, и делают ли они это на одном промоторе по очереди или одновременно на нескольких промоторах. Эти подходы могут также дать представление о том, как транскрипционная активация соотносится с изменениями в структуре хроматина. Применительно к кластерам Hox эти подходы будут важны для понимания того, как общие энхансеры могут координированно регулировать несколько генов и почему некоторые энхансеры имеют селективные предпочтения для одних генов, но не для других.
2.4. Deciphering Enhancer Activity through Nascent Expression
Было замечено, что контакты энхансеров с промоторами Hox могут возникать, когда энхансеры активны, но также устанавливаются независимо от активности энхансеров [166-168]. Контакты энхансеров были нанесены на карту с помощью методов захвата хроматина, но их разрешение было недостаточно хорошим, чтобы сделать вывод о контактах с элементами, которые находятся в пределах нескольких килобаз друг от друга, что имеет место в кластерах Hox позвоночных. Однако появились новые методы (Hi-M и Hi-CO) и улучшенные протоколы Hi-C, которые показывают лучшее разрешение для оценки геномных контактов [169-172]. Эти методы помогут определить и охарактеризовать проксимальных энхансеров контакты , которые имеют отношение к транскрипционной регуляции. Одним из способов картирования активности энхансера является измерение транскрипционного считывания. РНК энхансеры позволяют сделать вывод об активном или неактивном состоянии энхансеров [74], а вновь синтезированные РНК или зарождающиеся транскрипты генов-мишеней могут служить средством наблюдения за транскрипционной активацией генов.
Для достижения этой цели развитие нескольких методов визуализации и высокопроизводительного секвенирования позволило выявлять зарождающиеся транскрипты. Методы визуализации позволяют выявлять зарождающиеся транскрипты с помощью одномолекулярной флуоресцентной гибридизации in situ (smFISH) [173,174], цепной реакции гибридизации (HCR) [175] и в режиме замедленного времени с помощью системы стволовых петель MS2/MCP [176,177]. Комбинируя MS2/MCP для мониторинга зарождающихся транскриптов и метки антител ламы для обнаружения соответствующих белков, можно соотнести динамику скорости транскрипции с экспрессией белков [178,179]. Хотя эти подходы оказались чрезвычайно полезными для понимания развития дрозофилы, до сих пор было сложно масштабировать эти методы визуализации за пределы клеточной культуры в различных видах с высокой пропускной способностью. Чтобы сделать вывод о последовательности транскрипционной активации энхансерами и всплесках активности, важно распространить эти методы на более разнообразные контексты развития и виды. Необходимо получить живую визуализацию динамики зарождающихся транскриптов с клеточным разрешением, иметь запись транскрипционной активности от обоих аллелей и отслеживать относительные позиции энхансеров, регулирующих эти паттерны в эндогенных локусах.
При анализе всего генома с появлением новых технологий секвенирования и вычислительных программ были разработаны методы обнаружения или предположения о наличии зарождающихся транскриптов. Эти методы используют обнаружение РНК, связанной с хроматином, обогащение РНК, связанной с Pol II, или обнаружение новой РНК с помощью биотиновой или метаболической метки [180]. Эти методы позволяют обнаруживать зарождающиеся транскрипты в различных тканях, представляющих интерес. Хотя каждый из этих методов визуализации и секвенирования является шагом вперед в данной области, в настоящее время каждый из них имеет свои недостатки, и есть возможности для улучшения обнаружения зарождающихся транскриптов в сочетании с организацией генома.
Был достигнут прогресс в обнаружении транскрипционных узлов, содержащих комплекс медиаторов, с помощью микроскопии высокого разрешения [43,164]. Недавно было замечено, что зарождающиеся транскрипты сами находятся в петле обратной связи с образованием транскрипционных конденсатов; в то время как зарождающиеся транскрипты сначала способствуют образованию конденсатов, после увеличения их числа они способствуют распаду конденсатов [41,44]. Это имеет отношение к регуляции кластеризованных генов Hox, поскольку можно предположить, что энхансеры и промоторы нескольких генов могут находиться в одном транскрипционном хабе или конденсате для координированной регуляции их транскрипции. Промоторы генов, исключенные из этого хаба, не будут активироваться. Обратная связь с зарождающимися транскриптами Hoxb может, например, способствовать транскрипции или привести к распаду конденсата (рис. 3B), возобновляя цикл транскрипционной активации. Более того, было показано, что некоторые TFs через свои активационные домены могут образовывать конденсаты с медиатором для активации генов [181], а некоторые субъединицы медиатора, как известно, взаимодействуют с белками HOX [182]. Необходимо провести дальнейшую работу, чтобы понять, коррелирует ли образование и распад конденсата непосредственно с изменениями в контактах энхансеров, и играют ли TFs, такие как белки HOX, непосредственную роль в воздействии на контакты энхансеров, которые приводят к активации или репрессии генов.
2.5. Additional Features in Regulation of Transcription of Hox Genes
Модификации гистонов вдоль кластеров генов Hox и трехмерные конформации генома внутри и вокруг кластеров играют важную роль в определении того, какие гены Hox будут транскрипционно активны [81,183-185]. Эта активация генов Hox может регулироваться элементами внутри кластера, но также было замечено, что она может регулироваться последовательностями вне кластера [35,167,186-189]. Кроме того, репрессивные комплексы Polycomb (PRC1 и PRC2), которые участвуют в замалчивании генов Hox, влияют на уплотнение хроматина путем пост-трансляционной модификации гистонов [190] и, в свою очередь, влияют на транскрипционную активацию генов Hox. Еще одним уровнем сложности для генов Hox является наличие нескольких не-кодирующих РНК в кластерах генов [191]. Не-кодирующие РНК могут быть широко экспрессированы, демонстрировать дифференциальные паттерны тканевой экспрессии, иметь уникальную субклеточную локализацию или участвовать в специфических взаимодействиях ДНК, РНК и белков для регулирования хроматина [192]. Таким образом, не-кодирующие РНК, специфичные для кластера Hox, могут демонстрировать свои собственные транскрипционные сигнатуры и вносить вклад в то, как транскрипционно активируются гены Hox [193].
Таким образом, появляются новые захватывающие идеи и представления о регуляторных механизмах, которые управляют контролем транскрипции. Они предлагают новые способы мышления о том, как транскрипционные события и процессы регулируются в клетке и в контексте развития. Гены Hox представляют собой сложную и интересную систему для понимания нюансов транскрипционного контроля активации генов [194]. Уникальные особенности кластеров генов Hox (коллинеарность, высокая плотность генов и регуляторных элементов, смещение TADs и т.д.) и их важные и консервативные функциональные роли в развитии, болезнях и эволюции представляют собой важную парадигму для изучения транскрипционной регуляции более глубоким и детальным механистическим способом. Кроме того, с эволюционной точки зрения будет интересно изучить, используют ли консервативные GRNs, включающие гены Hox, такие как гены для сегментации заднего мозга [19,29,195,196], одинаковые или разные транскрипционные механизмы в регуляторных цепях, модулирующих консервативные программы экспрессии. С появлением новых технологий визуализации и секвенирования понимание того, как энхансеры функционируют в сложной динамике транскрипционной регуляции генов Hox, начинает вступать в новую захватывающую фазу.
|