Deciphering genetic regulatory codes: A challenge for functional genomics Proc. Nat. Acad. Sci. USA. V. 99. No 2. P. 546-548 (2002) | |
|
| |
Существует предположение о существовании уникального "транскрипционного кода", управляющей активацией и репрессией генов в определенных онтогенетических условиях. Сложные пространственные и временные паттерны экспрессии генов во время развития оркестрируются с помощью цис-действующих регуляторных модулей (CRM) или энхансеров. CRMs представлены наборами коротких олигонуклеотидных мотивов, каждый из которых обладает сродством к одному или более белкам или транскрипционным факторам (TFs) , связывающим сиквенс-специфически ДНК. TFs в свою очередь взаимодействуют др. с др. и основной транскрипционной кухней (machinery), активируя или репрессируя экспрессию кодирующей области, ассоциированной с определенным CRM. CRMs способны интегрировать множественные конвергентные импульсы (inputs) путем соединения TFs, принадлежащих разным классам, часто кооперативным образом. Кластеры связывающих сайтов, обнаруживаемые в CRM м. включать множественные копии одного и того же или разных мотивов. Эта комбинаторная природа CRMs вносит вклад в специфичность ответа белков, которые по отдельности не м. эффективно делать различия между разными мишенями, и в то же время расширяет разнообразие потенциальных импульсов, генерируемых ограниченным набором факторов. Напр., уникальные комбинации ткане-специфических селекторных белков и сигналами активируемых TFs м. индуцировать экспрессию генов-мишенй в строго определенных доменах, так что данный TF м. активировать разные гены в разных онтогенетических контекстах.
Разработаны компьютерные алгоритмы для сканирования по всему геному. Но самих по себе этих подходов недостаточно для выявления фукции CRMs. Две группы исследователей использовали разные компьютерные стратегии для предсказания коэкспрессирующихся генов и ассоциированных с ними CRMs в геноме D. melanogaster В каждой были идентифицированы наборы сходных CRM на основании плотности кластрирования индивилдуальных сайтов, связывающих TF. Компьютерный анализ сопровождался экспериментальной оценкой CRMs.
Так, в работе Berman et al., (PNAS, 99, 757-762, 2002) использовали 5 TFs: Bicoid (Bcd), Caudal (Cad), Hunchback (Hb), Kruppel (Kr) и Knirps (Kni). Position weight matrix, которая отражает частоту с которой данный нуклеотид появляется в каждой позиции связывающего сайта, сконструирована для каждого набора доступных TF распознающих последовательностей. Position weight matrix затем были использованы для поиска по всему геному дрозофилы потенциальных TF мест. Еще один параметр добавлялся к поисковму алгоритму, чтобы элиминировать те сайты с теоретически низким сродством к каждому фактору. Поиск по всему геному выявил 28 дополнительных кластеров, которые содержат 49 кандидатов на гены-мишени (некоторы кластеры текже внутри интронов, тогда как др. локализовались в межгенных областях). Из них примерно 40% экспрессируются у ранних эмбрионов в виде паттернов, согласующихся с регуляцией с помощью TF, используемого для модели поиска. Один из кластеров высокой плотности, обнаруженный выше gap гена, giant (gt), был оценен в отношении энхансерной активности у трансгенных эмбрионов. Эта геномная последовательность, управляла транскрипцией репортерного гена
в виде паттерна, который в точности воспроизводил задний домен экспрессии эндогенного гена gt. Т.о., новый неизвестный энхансер идентифицирован чисто компьютерным подходом.
Группа Markstein et al. (PNAS, 99, 763-768, 2002) сконцентрировалась только на одном TF Dorsal (Dl). Чувствительный к Dl silencer из гена zerknullt (zen) был использован создания специфической модели компьютерного сканирования генома для идентификации сходных CRMs. Выявлены кластеры, по крайней мере в тех сайтах, связывания Dl с высоким сродством на участке в 400 п.н. Всего выявлено 15 кластеров, три из них ассоциированы с уже известными Dl-чувствительными генами. Один из таких кандидатов Dl-зависимого CRM обнаружен в интроне гена short gastrulation (sog). Слитый с репортерным трансгеном этот предполагаемый энхансер активировал транскрипцию в латеральном эмбриональном домене, который соответствует таковому эндогенного sog. Два дополнительных кандидата на рольмишеней для Dl экспрессировались в виде паттернов, согласующихся с с прямой регуляцией этим TF, хотя функции ассоциированных CRMs не цстановлены.
Некоторые охарактеризованные Dl-чувствительные энхансеры, как известно. содержат сайты и для др. TFs, таких как белок с цинковыми пальчиками Snail. По крайней мере, один новый CRM также содержал потенциальный сайт Snail. Twist bHLH TF также действует вместе с Dl в некоторых регуляционных энхансерах. Его включение в алгоритм поиска позволит унизить число неверных резултатов. Стадиоспецифические энхансеры м. содержать разные наборы сайтов свяызывания.
CRM с большим количеством сайтов высокого сродства будет активироваться в ответ на низкие уровни соотв. TF. Но и др. механизмы м. генерирровать клеточно-специфичные уровни TF, большинство транскрипционных регуляторов у дрозофилы не действует в качестве морфогенов, поэтому они м.б. менее склонны ассоциировать с высокоми сайт-связывающими плотностями. Скорее комбинации взаимодействий множественных TFs, каждый из которых соединяется с относительно небольшим количеством сайтов. В геноме человека предстоит проанализировать примерно 1850 TF.