Gene expression neighborhoods Brian Oliver (mailto:oliver@helix.nih.gov), Michael Parisi and David Clark
Journal of Biology Volume 1, Issue 1, 4 (2002)
Journal of Biology Volume 1, Issue 1, 4 (2002)
The finding that neighboring eukaryotic genes are often expressed in similar patterns suggests the involvement of chromatin domains in the control of genes within a genomic neighborhood.
(Рис.1.) | Models to account for gene expression neighborhoods. Several models (or combinations of models) could account for the observed phenomenon of gene expression neighborhoods. (a) Incidental regulation. A transcription factor (green oval) binds at a target gene (green arrow) and incidentally up-regulates neighboring genes. In this model, the level of expression of neighboring genes is determined by proximity to the target gene and is expected to decrease with distance from the target gene (the green line at the top of each panel indicates the gene expression profile across the neighborhood). (b) A structural domain model. A discrete 'open' chromatin domain is created as a result of activation of a target gene within the domain. Flanking boundary or insulator elements (yellow ovals) define the neighborhood and the limits of the open chromatin domain. (Note the 'square wave' expression profile.) (c) Expression neighborhoods in three-dimensional space. In this model, activation of a target gene results in its recruitment to a specific nuclear location. This would necessarily involve the co-recruitment of neighboring genes. The particular subnuclear location exposes the neighborhood to increased concentrations of components of the transcriptional machinery (the image shows two segments of chromatin with two neighborhoods in the vicinity of a (green) nuclear body).
)
(Рис.1.) | Models to account for gene expression neighborhoods. Several models (or combinations of models) could account for the observed phenomenon of gene expression neighborhoods. (a) Incidental regulation. A transcription factor (green oval) binds at a target gene (green arrow) and incidentally up-regulates neighboring genes. In this model, the level of expression of neighboring genes is determined by proximity to the target gene and is expected to decrease with distance from the target gene (the green line at the top of each panel indicates the gene expression profile across the neighborhood). (b) A structural domain model. A discrete 'open' chromatin domain is created as a result of activation of a target gene within the domain. Flanking boundary or insulator elements (yellow ovals) define the neighborhood and the limits of the open chromatin domain. (Note the 'square wave' expression profile.) (c) Expression neighborhoods in three-dimensional space. In this model, activation of a target gene results in its recruitment to a specific nuclear location. This would necessarily involve the co-recruitment of neighboring genes. The particular subnuclear location exposes the neighborhood to increased concentrations of components of the transcriptional machinery (the image shows two segments of chromatin with two neighborhoods in the vicinity of a (green) nuclear body).
Анализ гена-за-геном четко показал, что области внутри последовательностей ДНК связывают белковые транскрипционные факторы, которые усиливают или ослабляют активность промоторов. Теперь, когда паттерны экспрессии генов м.б. изучены вдоль всего генома, новые находки указывают на то, что будучи контролируемы индивидуально, гены м. также быть объектом регулдяции в соответствии с их расположением внутри генома.
Стало очевидным, что геномная локализация имеет определенное значение для экспрессии гена. Напр., у разных видов, когда трансгены удаляются из их обычного окружения и помещаются в др. положение в геноме, то трансген стремится работать более-или-менее нормально , но почти всегда обнаруживаются определенные отклонения в экспрессии, связанные с местом инсерции - а иногда влияние на экспрессию нового окружеиня быват драматическим. Даже незначительные отклонения в экспресссии генов м., как известно, сказываться при определенных условиях , это иллюстрируется, напр., драматическими эффектами минимальных отличий в концентрациях в градиентах паттерн-детерминирующих морфогенов во время развития и в механизме дозовой компенсации.
В данном номере, Spellman and Rubin выявили неожиданную корреляцию между организацией генов вдоль хромосом Drosophila и уровнями их экспрессии. Интересно, что районы, состоящие в среднем из 15 непрерывных генов, обнаруживали заметное сходство в относительных уровнях экспрессии. Эти регионы (сообщества) не обязательно состояли из генов с родственными функциями, и , следовательно, м.б. ожидать их ко-регуляцию, это м.б. кластеры для rRNA, histone, Hox и globin генов.
Две недавние работы также подтверждают, что гены, со сходными уровнями экспрессии, распределены неслучайно и в геноме человека. У людей, кк было недавно предположено, регионы со сходной экспрессией служат для регуляции функций домашнего хозяйства (housekeeping). У Drosophila это мнее вероятно, однако, Spellman and Rubin продемонстрировали, что эмбрионы и взрослые отличаютя драматически в организации своих районов (сообществ) сходно экспрессирующихся генов (хотя м. было бы ожидать, что червеобразные личинки и взрослые Drosophila будут иметь разные наборы генов домашнего хозяйства).
Простейшим объяснением является то, что ко-регуляция внутри экспрессирующихся регионов (сообществ) м.б. обусловлена случайными взаимодействиями между промоторами и энхансерами транскрипции (Рис. 1a). В этой модели, транскрипция одного или нескольких генов в геномном кластере регулируется с помощью обычных подозреваемых (транскрипционных факторов), связывающихся с соотв. сайтами и активирующих соседние гены, также как и гены-мишени - а возникающее в результате несоответствие экспрессии генов, иных нежели мишени, окажется толерантным из-за незначительности биологического эффекта. В таком случае, если сайты, которые строго связывают транскрипционные активаторы, такие как дрожжевой белок GAL4 переносятся в геном Drosophila, то они д. создавать новое окружение (сообщество). Tранскрипционные факторы имеют ограниченный спектр действия, так что если строгие активаторы ответственны за один из них, то м. ожидать увидеть ступенчатое снижение эффектов данного фактора с увеличеним расстояния от его главного связывающего сайта (Рис. 1a). Но данные, полученные Spellman and Rubin указывают на то, что фактически паттерн экспрессии генов внутри сообщества является по сути 'square wave' (Рис. 1b).
Spellman и Rubin , следовательно, склоняются в сторону модели структурных хроматиновых доменов (Рис. 1b), согласно которой открытие хроматина всего региона (сообщества) является результатом активации гена-мишени внутри своего окружения. Создание домена структуры открытого хроматина должно, и это подтверждено, увеличивать доступность промоторов и энхансеров всех генов региона (окружения) для транскрипционной кухни (machinery), и доолжно приводить к скоррелированному увеличению экспрессии. Такой домен д.б. вычленяться с помощью пограничных элементов или изоляторов (insulators), в соответствии с профилем square wave (Рис. 1b). Проблема с этой моделью заключается в том, что повышение доступности хроматина должна скорее всего облегчать связывание репрессоров точно также как и активаторов, в результате одни гены д. усиливать, а др. д. уменьшать свою активность. Это не согласуется с ко-регуляцией окружения. Но если увеличение доступности в первую очередь затрагивает базовую (ту, что non-activated) экспрессию, то должно происходить общее увеличение транскрипции всех генов окружения. В самом деле, модификация хроматина в Х хромосоме самцов Drosophila вызывает глобальное усиление экспрессии генов, также как и удаление гистонов из дрожжей. И если в окружении испытывают влияние все гены - а не только те, что вовлечены в процесс регуляции внутри определенного окружения - тогда трансгены, вставленные в новое окружение д. подпадать под контроль этого окружения, а хромосомные делеции и инверсии должны изменять распространенность определенных таких сообществ (neighborhoods).
Spellman и Rubin тестировали небольшой список известных хромосомных структур, чтобы выявить корреляции с экспрессией в сообществах генов (neighborhoods). Цитологи хромосом Drosophila и хромосомных пуфов давно предполагали, что хромосомы подразделены на петлевые (loop) домены с разной степенью компактности. В самом деле, гетерохроматин и эухроматин различаемы давно. Молекулярные биологи знают, что хроматин имеет различные состояния доступности и связан с ядерным матриксом в определенных местах. Какая же из этих структур является базой генных сообществ? Ответ оказался неожиданнымe 'ни одна из них'. Хотя столь впечатляющая блоко-подобная организация сообществ вдоль хромосом указывает на то, что д. иметься cis-действующие структуры, ни одна из известных структур не коррелирует с блоками. Ясно одно, что ядро высоко организованное трехмерное пространстов (Рис. 1c). Субъядерные структуры разных типов, такие как изолирующие (insulator) тельца и PML макромолекулярные тельца в ядрах млекопитающих м.б. отличными от структурных элементов, таких как границы петлевых доменов и области прикрепления к матриксу. Поиск структурных основ экспрессии в генных сообществах (neighborhoods) будет продолжен.
Spellman и Rubin предполагают, что хотя домены экспрессии и выявляют определенного сорта структурные свойства, только один или несколько генов такого сообщества являются действительными bona fide мишенями (gene-expression profiler). Предполагается, что несоответствующая экспрессия генов окружения не является вредной, эта идея подтверждается отсутствием доминантных фенотипов, когда мутаирует одиночный ген. Но верно также и то, что делеции, улдаляющие больше, чем 1% генома Drosophila (около 140 генов) оказывают тяжелые доминантные повреждающие эффекты на организм. Такие делеции скорее всего удаляют целые сообщества.
Кажется, что экспрессия генов сообщества д. в основном способствовать эволюции тех генов, которые дают преимущества, будучи внутри такого сообщества. Напр., a de novo функция, которая кодируется геном, не будет иметь последствия, если она никогда не экспрессируется в ткани, на которую д. влиять. Предполагается, что секвенирование родственных Drosophila видов позволит определить, поддерживаются ли структуры сообществ интактными в ходе эволюции. evolutionary time. Если сообщества, обнаруженные Spellman и Rubin менее часто разрываются инверсиями, чем др. non-neighborhood области генома, то такие сообщества скорее всего имеют и функциональное значение. Экспрессия генов сообщества м. помогать создавать, закреплять и подерживать генную функцию внутри сети экспрессий, определяемых таким сообществом, обеспечивая тем самым эволюцию дополнительных инструментов, с которыми работают.