Посещений:
ТРАНСКРИПЦИОННЫЕ ФАКТОРИИ

Взаимодействия Генов

The transcriptional interactome: gene expression in 3D
Stefan Schoenfelder, Ieuan Clay and Peter Fraser
Current Opinion in Genetics & Development 2010, 20 :127–133

Transcription in the eukaryotic nucleus has long been thought of as conforming to a model in which RNA polymerase complexes are recruited to and track along isolated templates. However, a more dynamic role for chromatin in transcriptional regulation is materializing: enhancer elements interact with promoters forming loops that often bridge considerable distances and genomic loci, even located on different chromosomes, undergo chromosomal associations. These associations amass to form an extensive ‘transcriptional interactome’, enacted at functional subnuclear compartments, to which genes dynamically relocate. The emerging view is that long-range chromosomal associations between genomic regions, and their repositioning in the three-dimensional space of the nucleus, are key contributors to the regulation of gene expression.
Почти два столетия спустя после своего открытия стало ясно, что эукариотическое ядро высоко организованная органелла с более чем 10 специализированных субъядерных компартментов [ 1 ]. Хроматин сам по себе организован в динамический континуум, структуированный так, что образования (scales) из хромосомных территорий [ 2,3 ] благодаря укладке более высокого порядка хроматиновых доменов [ 4,5 ] обеспечивают стабильность хроматиновых волокон [ 6,7 ]. Хромосомные территории не обладают ригидными границами и соседние хромосомы могут смешиваться [ 8 ], делая возможным дальнодействующие регуляторные контакты и функциональную компартментализацию между удаленными не сцепленными геномными регионами [9 ]. Комбинация chromosome conformation capture (3C ) технологии [10 ] и микроскопии подтолкнуло открытие дальнодействующих хромосомных взаимодействий в различных клеточных процессах, включая транскрипцию [11 - 1 7], рекомбинацию [ 18,19 ], Polycomb обусловлено молчание генов [ 20,21,22 ] и инактивацию X хромосомы [ 23,24 ]. Эти находки указывают на то, что функциональные внутрихромосомные и межхромосомные ассоциации лежат в основе многих геномных функций.

From a distance: long-range enhancer-promoter interactions


Регуляторные ДНК элементы, такие как энхансеры или locus control regions (LCRs ) могут действовать на значительных геномных расстояниях. Hbb LCR обнаружен в тесной пространственной близости к своим генами мишеням в эритроидных клетках, обусловливая участие 50 kb последовательности ДНК в образовании петли [ 4,5 ]. Сходным образом были обнаружены тканеспецифические хромосомные ассоциации между генами и регуляторными элементами во многих локусах генома, включая Kit [25], H19 /Igf2 [26 ,2 7 ], и T helper 2 ( TH2) цитокиновые локусы [28 ,2 9 ]. Геномные расстояния не кажутся препятствием, так Sonic hedgehog (Shh) специфичный для зачатков конечностей энхансер, как было показано, взаимодействует с своим промотором мишенью на расстоянии 1 megabase [30]. Эти примеры скорее всего только кончик айсберга: исследования ассоциаций по всему геному идентифицировали множество сцепленных с болезнями single nucleotide polymorphisms (SNPs), которые картируются часто на расстоянии от подозреваемых генов, указывая на потенциальную регуляторную функцию [31 ]. Напр., SNP rs6983267, как ассоциированный с повышенным риском колоректального рака, локализуется в гене desert на хромосоме человека 8q24 [ 32]. Регион, окружающий rs6983267, действует как энхансер в методах репортерных генов и взаимодействует с промотором Myc онкогена, расположенного на расстоянии в 330 kb [34].
Увеличение количества примеров указывает на то, что регуляторные элементы ДНК также способны участвовать в функциональных контактах с генами, расположенными на др. хромосомах. В нативных T лимфоцитах the TH2 LCR , расположенный на хромосоме 11, взаимодействует с геном interferon-γ на хромосоме 10 [ 12 ]. В сенсорных нейронах, H энхансерный элемент контактирует с множественными обонятельными рецепторными генами на разных хромосомах, а его взаимодействие с одним геном в данном сенсорном нейроне, как полагают, детерминирует выбор обонятельного рецептора или экспрессии гена [ 35 ]. Однако делеция H элемента не затрагивает экспрессию обонятельных рецепторов или генов в транс-положении [36 ]. Эти противоречивые находки могут быть примирены существованием избыточных H-подобных энхансерных элементов. Импринтинг контрольной области выше гена H19 также связан с дальнодействующими контактами, хотя существуют существенные расхождения относительно количества взаимодействующих локусов, варьирующих от 3-х [ 37 ] до более сотни [38 ]. Важно, что делеции и точковые мутации, вносимые в регуляторные элементы затрагивают экспрессию взаимодействующих генов на разных хромосомах [ 12,38 ]. Так, в целом эти доказательства подчеркивают функциональное общение между дистальными хромосомными регионами, потенциально обладающими регуляторной способностью, в значительно большей степени.

Stand by me: co-associations of active genes at shared transcription factories


Ко-ассоциации активных генов в общих субклеточных компартментов, таких как транскрипционные фактории, могут представлять др. класс хромосомных взаимодействий. В этом случае скорее ДНК элементы используются непосредственно во внутрихромосомных и межхромосомных взаимодействиях, наиболее вероятно, что геномные локусы просто ко-ассоциируют с общими специализированными субъядерными микроусловиями, чтобы получить преимущества и потенциально внести вклад в увеличение локальных концентраций специфических факторов, необходимых для генной экспрессии. Транскрипционные фактории сильно обогащены активными, гиперфосфорилированными формами RNAPII [39,40]. РНК FISH исследования показали, что транскрипция индивидуальных аллелей происходит почти исключительно в ассоциации с транскрипционными факториями [11,14,41]. Напротив, временно неактивные аллели располагаются вне транскрипционных факторий, указывая тем самым, что гены мигрируют в эти субъядерные сайты , чтобы быть транскрибированными [42]. Важно, что количество транскрипционных факторий на клетку сильно ограничено по сравнению с количеством экспрессируемых генов, поэтому привлекающие внимание гены обладают одной и той же транскрипционной факторией [11]. Скрининг по всему геному в отношении последовательностей, которые имеют общие транскрипционные фактории с транскрипционно активными мышиными генами α-globin и β-globin выявил предпочтительные ассоциации с сотнями др. транскрибируемых локусов, выявляя обширные внутрихромосомные и межхромосомные транскрипционные сети [43]. Среди с globin-взаимодействующих локусов гены, регулируемые с помощью эритроидного транскрипционного фактора Klf1, были представлены в избытке. Дальнейшее исследование показало, что Klf1-регулируемые гены преимущественно образуют кластеры в ограниченном количестве транскрипционных факторий, содержащих высокие уровни Klf1, это указывает на то, что индивидуальные фактории могут становиться специализированными горячими точками для транскрипции предпочтительно генов сети (Figure 1a). Эти результаты подтверждают находку, что эписомные репортерные конструкции со сходными промоторами обнаруживают сильную тенденцию образовывать кластеры в общих транскрипционных факториях, чем конструкции с гетерологическими промоторами [44]. Пока неизвестно, образующиеся трехмерные кластеры, сходным образом регулируемых генов в транскрипционных факториях, являются ли причиной или следствием микроусловий, обогащенных специфическими транскрипционными факторами. Однако очевидно, что эти специализированные фактории являются оптимизированными местами с увеличенной вероятностью инициации и ре-инициации транскрипции предпочтительных сетей генов [43].
Соприкосновение активных генов наблюдается в ядерных пятнышках (speckles) [45,46 ], крупных субъядерных доменах, маркированных с помощью сплайсинг фактора Sc-35. Т.к. транскрипция и сплайсинг не только во времени, но и пространственно тесно связаны [ 47,48 ], то очевидно, что эти ассоциации являются следствием транскрипционных ко-ассоциаций между активными генами в транскрипционных факториях. Сегодня экспериментальные доказательства подтверждают функциональную роль Sc35 пятен в ассоциациях генов, так как генетическое устранение или RNAi нокдаун Sc-35 или in vivo разборка ядерных пятен [ 49 ], отсутствуют. Напротив, накапливаются данные, подтверждающие концепцию ассоциаций между активными генами, обусловленных транскрипционным фактором (see below).

Hold me close: protein factors required for long-range chromatin interactions


Несколько исследований было проведено с транскрипционными факторами для установления трехмерных активных конформаций хроматина. Напр., эритроидные транскрипционные факторы Klf1 [ 50 ] и GATA-1 [51 ] необходимы для тканеспецифической активной трансформации хроматина в Hbb LCR . GATA-2 выполняет сходную функцию в Kit локусе [25 ], а контакты между TH2 LCR и промоторами белок-кодирующих генов в локусе нуждаются в транскрипционных факторах GATA3 и STAT6 [ 28 ]. Очевидно, что транскрипционным фактором обеспечиваемые взаимодействия не ограничены установлением 'локальных ' хроматиновых ассоциаций, необходимых для активации генов. Estrogen receptor α (ERα ) связывает геномные регионы, формируя хроматиновый 'interactome' из первичных внутрихромосомных взаимодействий [ 17], но ER α обеспечивает также межхромсомные взаимодействия [ 16]. Сходным образом геномные локусы, связанные androgen receptor (AR), подвергаются внутрихромосомным и межхромосомным ассоциациям [52]. В ответ на вирусную инфекцию наблюдаются специфические взаимодействия между NF-kB связанными геномными сайтами [ 15]. Наконец, внутрихромосомные и межхромсомные ассоциации между Klf1-регулируемыми генами в транскрипционных факториях специфически разрушаются в эритроидных клетках, лишенных [43]. Т.о., накапливаются доказательства, показывающие, то транскрипционные факторы влияют на становление локальных активных конформаций хроматина, а также трехмерное позиционирование активных генов и их хромосомных ассоциаций в ядре.
Белки, участвующие в архитектуре хроматина, также влияют на обеспечение взаимодействий между хромосомными регионами. Напр., TH2 cytokine локус, SATB1 обеспечивает ассоциации между регионами в цис-положении, чтобы генерировать трехмерную, активную конформацию хроматина [ 29 ]. H19 импринтинг контролирующий регион ассоциирует со множественными геномными локусами, в основном посредством материнского аллеля, который связывает хроматин инсуляторный белок CTCF [ 38 ]. Интересно, что недавние исследования выявили, что связывание CTCF и cohesin, белкового комплекса, известного своей важной ролью в слипчивости сестринских хроматид [ 53 ], перекрывает множественные сайты в геноме человека и мыши [ 54,55 ]. Cohesin и CTC F кооперируют, обеспечивая

Proximity of active genes in a shared transcription factory. (a ) Co-regulated genes cluster in a specialized transcription factory. Transcription factors (yellow, red, and blue) bind their target Hgenes while probing their nuclear environment. Upon relocation to a transcription factory, potentiated genes initiate transcription (nascent transcripts depicted in yellow and red). Dynamically bound transcription factors may dissociate from their target genes, freeing transcription factors for use by other co-regulated genes in close proximity. Thus, genes in a factory with other co-regulated genes may have a higher probability of re-initiation in that factory through dynamic exchange of transcription factors, stabilizing their presence there. By contrast, genes transcribing in the absence of other network partners (genes regulated by red and blue factors) may be more likely to dissociate from the factory after an initial burst of transcription. Repetition of factor dissociation and binding cycles would result in a transcription site highly enriched in specific binding sites and factors, seemingly specialized to preferentially transcribe a subset of co-regulated genes. (b ) Close proximity between transcripts generated in a transcription factory may allow specific exons to be joined by trans -splicing. (c) Juxtaposition of active genes in a shared transcription factory may also increase the probability of translocations between loci.

взаимодействия хроматина в цис-положении в генных локусах человека IFNG , APO A1 / C3 /A4 /A5 и H19 / Igf2 [ 56-58]. Можно предположить, что cohesin использует свою способность сводить хромосомные регионы вместе для установления и/или поддержания др. внутрихромосомных и потенциально межхромосомных ассоциаций.

Do the loco-motion: movement of chromosomal loci in the nucleus


Как геномные регионы 'находят' др. др. и/или ядерные компартменты в сложной ядерной среде, чтобы установить хромосомные ассоциации? В целом перемещения хроматина являются регионально ограниченными в ядре [ 59 ]. Однако это не исключает возможности, что геномные регионы опробуют свою ядерную среду в результате Броуновского движения на относительно коротком расстоянии с последующей стабилизацией предпочтительных ассоциаций. Активные направленные дальнодействующие перемещения хроматина также были описаны. Доставка транскрипционного активатора на массив трансгена приводит к релокализации с ядерной периферии внутрь на расстояние до 5 µm[60]. После индукции транскрипции наблюдаются перемещения более, чем на 2- 3 µm в направлении телец Cajal для U2 snRNA трансгена [ 61 ]. Интересно, что actin [60,61 ] andmyosin[60] участвуют в этих перемещениях хроматина. Сходным образом межхромосомная ассоциация между estrogen-регулируемым TFF1 и GREB1 генами зависит от actin, nuclear myosin I и dynein light chain-1 ( DLC1) [16], а вмешательство в полимеризацию актина или функцию ядерного myosin I устраняет межхромосомные взаимодействия между связанными с андрогеновым рецептором генами TMPRSS 2 и ETV1 [52]. Многочисленные исследования наблюдали роль транскрипции ядерного actin и myosinin [62 ], но как actin/ myosin система механистически участвует в перемещении генов и транскрипции пока неясно. Обработка химическими соединениями, которые ингибируют полимеризацию или деполимеризацию, мешают межхромосомным ассоциациям между с ядерными рецепторами связанными генами [ 16,52], а избыточная экспрессия не способного к полимеризации мутантного актина устраняет взаимодействие между тельцами Cajal и U2 массивом [ 61 ], указывая тем самым, что актиновые филаменты могут участвовать в этих перемещениях. Длинные актиновые филаменты сравнимые с теми, что обнаруживаются в цитоплазме, не обнаруживаются в ядрах млекопитающих. Это , однако, не исключает существование относительно коротких, высоко динамичных актиновых филамент, на которые может действовать ядерный миозин, чтобы способствовать направленным перемещениям генов.

Too close for comfort: translocations and trans-splicing


Соприкосновение активных генов может максимализовать результаты транскрипции или делает возможным их ко-регуляцию, но не без риска для клеток. Напр., транслокация prone генетических локусов часто обнаруживается в тесной близи к ядру [ 63 ]. Myc и Igh , частые партнеры по транслокации при лимфоме Burkit t's и плазмацитоме мыши, преимущественно ассоциируют в общей транскрипционной фактории в В лимфоцитах мыши [14 ]. В клетках рака простаты активация транскрипции с андрогенным рецептором связанных генов индуцирует не только их внутрихромосомную [52,64 ] , но межхромосомную [52] ко-локализацию, а также после обработки агентами, которые вызывают разрывы двойной нити ДНК, транслокационные события между этими локусами. Более того, вмешательство в ассоциацию между TMPRSS2 и ETV1 ингибирует транслокацию между двумя локусами [52]. Эти находки в целом указывают на то, что колокализация транскрибируемых генов предоставляет возможность возникновения хромосомных транслокаций.
Было также предположено, что близость активных генов в общих транскрипционных факториях может облегчать trans-splicing [65,66 ], процесс, при котором экзоны от отдельных premRNAs объединяются, чтобы создать химерные РНК. Впервые открытый у трипаносом [67], транс-сплайсинг также существует у млекопитающих и может использовать последовательности от одной и той же хромосомы [ 68,69,70 ], или локализоваться на разных хромосомах [ 71,72]. Для большинства trans-spliced продуктов доказательства функциональной роли отсутствуют. Однако способность транс-сплайсинга дополнять генетические мутации [73 ] была использована для стратегии генной терапии [74,75,76 ], и было продемонстрировано существование важных механизмов для функции генов. Недавнее сообщение описывает чёткую корреляцию между транслокациями и транс-сплайсингом [ 72]. В стромальных клетках человека транс-сплайсин соединяет экзоны от JAZF1 и JJAZ1 генов, продуцируя химерную РНК, которая транслируется в белок с антиапоптической функцией. Удивительно, химерная РНК и белок идентичны тем, что генерируются с помощью транслокаций, обнаруженных в стромальных опухолевых клетках. Единственным возможным объяснением этого является то, что транс-сплайсинг может предрасполагать геномные локусы к хромосомным обменам [72]. Альтернативная возможность состоит в том, что пространственная близость между двумя локусами делает возможным продукцию химерных РНК с помощью транс-сплайсинга в нормальных стромальных клетках, тогда как наложение оказывается зафиксированным посредством транслокаций в некоторых клетках, это позволяет им пролиферировать как раковые клетки. Согласно этому сценарию общий denominator лежащий в основе генерации химерных JA ZF1 - JJAZ1 РНК в нормальных и раковых стромальных клетках, д. находиться в тесной близости в ядерном пространстве, возможно в общей транскрипционной фактории (Figure 1 b,c). Поразительно, что геномная конформация, которая увеличивает риск потенциально важных транслокаций, может эволюционно персистировать. Мы полагаем, что образование трехмерных генных кластеров из транскрибируемых локусов может извлекать эволюционные преимущества, которые перевешивают вред транслокаций.

Conclusions and outlook


Fuelled by the 3C assay [10] and its modifications, our understanding of genome structure and function has remarkably expanded over the past five years. Novel genome-wide proximity ligation assays such a s Hi-C [77] and ChIA-PET [17] now offer the possibility of mapping whole genome conformations. These ‘anchorfree’ assays have the potential to describe connectivity between all loci in the genome, albeit, compared to analyses of chromosomal associations focusing on specific bait loci [13,38,43], this m ay currently come at the expense of a reduced resolution for specific interactions. Nevertheless, aided by the ever-increasing power and rapidly falling cost of high-throughput DNA sequencing, the characterization of the complete repertoire of chromosomal interactions within a cell type now seems an achievable goal. However, caution must be applied when using 3C approaches to study the dynamics of genome organization. Active genes are transcribed in non-synchronous bursts [78,79], and transcription f actory associations between genes in a preferred network vary strongly from cell to cell [43]. This suggests that the transcriptional interactome is inherently plastic and that a ‘single solution’ describing the complete spatial arrangement of the genome in a particular cell type does not exist. Thus, one inevitable caveat of 3 C assays, because they describe the average conformation in a population of cells, is their failure to account for cell-to-cell heterogeneity.
We propose that spatial clustering between co-regul ated genes is a widespread phenomenon. Three-dimensional gene clustering is not only limited to RNAPII tran scription units, but has also been described for genes transcribed by RNA PIII [ 80 ] and RNA PI—in fact, the nucleolus can be regarded as the arche typical example of a specialized transcription factory [81 ]. Other types of specific or preferred interactions are thought to mediate transcriptional repression [20,21 ]. Further more, during immunoglobulin recombination in B cell development [ 19 ], and at the onset of X chromosome inactivation [ 23,24 ], transient interactions between homologous chromosomal regions are involved in establishing polar opposite states of transcriptional activity on homologous alleles, or indeed entire chromosomes. We predict these multiple dynamic chromosomal interactions will together drive higher order chromosome conformations, and tissue-specific chromosome positioning [82 ]. Alteration of gene expression programs during differentiation, development , and nuclear reprogramming [ 83 ] will probably be associated with and may require corresponding changes in the nuclear interactome. A major challenge will be to decipher the relation between these genome conformation changes and the numerous epigenetic alterations of the genome, allowing their integration into a comprehensive picture of the spatial and functional organization of the nucleus .
Сайт создан в системе uCoz