/

Nie tylko geny się liczą – rola enhancerów w regulacji ekspresji

avatar
dr Maciej Dąbrowski 30 Sie, 5 minut czytania

Na łamach Genetyki.bio wielokrotnie mogliśmy czytać o regulacji ekspresji genów za pomocą epigenetyki (całe lipcowe wydanie było poświęcone temu niezwykle ciekawemu zagadnieniu). Jednakże, epigenetyka to niejedyny mechanizm regulujący, kiedy, gdzie i na jakim poziomie ma dojść do produkcji określonych białek. Sekwencje kodujące białka- eksony, stanowią około 3% całego genomu człowieka. Dzięki wynikom całogenomowych badań asocjacyjnych (GWAS), wiemy, że ogromna liczba wariantów genetycznych powiązanych z chorobami znajduje się poza sekwencjami kodującymi – gdzieś w pozostałych 97% naszego DNA [1]. Dalsze badania zidentyfikowały te miejsca jako elementy regulatorowe.

Według kanonicznych zasad genetyki każdy gen posiada promotor, odpowiedzialny za uruchomienie procesu transkrypcji. Obecnie wiemy, że nie jest to takie proste i z genem powiązane są liczne, dodatkowe elementy regulatorowe, takie jak alternatywne promotory, kodony STOP czy nawet eksony. Do tego dochodzą różnego rodzaju sekwencje cis,[1] ulokowane często w dużych odległościach powyżej lub poniżej danego genu. Co ciekawe, mogą się one znajdować również w intronie tego samego lub zupełnie innego genu. Takie sekwencje cis nazywamy enhancerami.

Figura 1: Kanoniczny schemat genu wraz z elementami regulatorowymi.

A close up of a piece of paper Description automatically generated

O ile sam promotor determinuje, gdzie ma się rozpocząć transkrypcja, o tyle enhancer stymuluje promotor w jakiej skali, kiedy i w której tkance ma dojść do ekspresji danego białka. Pierwszym opisanym enhancerem była 72-nukleotydowa sekwencja tandemowo powtórzonego DNA w genomie wirusa SV40, zlokalizowana około 100 par zasad (pz) nukleotydowych powyżej wirusowego promotora. Jej usunięcie powodowało redukcję ekspresji oraz drastyczne obniżenie zdolności wirusa do replikacji [2]. Kilka lat później, pokazano, że ten enhancer może działać równie dobrze po przeniesieniu w bardziej odległe miejsce w genomie, a także może współdziałać z promotorami innych, przypadkowych genów. W przypadku ludzkiego genomu, sekwencjonowanie pozwoliło wykazać, że enhancery mogą być zlokalizowane nawet do miliona pz powyżej lub poniżej docelowych genów. Często pomiędzy nimi, a genem znajdują się inne, zupełnie nie powiązane geny.

Jak wspomniałem wcześniej, enhancery działają w układzie cis (choć oczywiście są i od tego wyjątki). Przeniesienie enhancera w wyniku translokacji na inny chromosom może być przyczyną różnych chorób genetycznych. Takim przykładem jest Zespół Pierre-Robin- rzadki zespół wad wrodzonych [3]. Najczęściej enhancery są ulokowane w odległości od około 10 000 pz do nawet miliona pz od promotora, choć zdarzają się przypadki znacznie większych odległości.

Podręcznikowy opis mechanizmu działania enhancerów, określa je jako miejsca dokowania polimerazy RNA II, która następnie przesuwa się po nici DNA, aż do promotora, gdzie dochodzi do uruchomienia procesu transkrypcji. Drugi z mechanizmów zakłada wytworzenie się oligomeru białkowego łączącego enhancer z promotorem w sposób bezpośredni. Jednak oba te mechanizmy nie mogły tłumaczyć działania na tak wielkie odległości, w jakich znajdują się enhancery. Wytłumaczeniem tego fenomenu może być koncepcja wypętlania się chromosomów (ang. chromosome looping[4]). W tym modelu, oddziaływania odległych enhancerów bazuje na odpowiednim “zagięciu” chromosomu do kształtu swego rodzaju pętli, u podstawy której dochodzi do zestawienia obok siebie zarówno enhancera jak i promotora [5]. Taki mechanizm rodzi kolejne pytanie – w jaki sposób enhancer odnajduje odpowiadający mu promotor w plątaninie kwasów nukleinowych, białek i innych struktur znajdujących się w jądrze komórkowym. Wyjaśnia to teoria domen powiązanych topologicznie (TADs, ang. topologically associated domains) [6]. Według tej teorii promotory i współdziałające z nimi enhancery genów zaangażowanych w te same procesy rozwojowe, znajdują się w obrębie jednej domeny TAD. Są one ograniczone z obu stron miejscami CTCF, które ściągają specyficzne białka- kohezyny [7]. To właśnie dzięki nim jest możliwe modelowanie chromatyny i przemieszczanie się względem siebie enhancerów i promotorów. Pozwala to komórce bardzo szybko uruchamiać i sterować ekspresją licznych genów, których precyzyjna współpraca jest konieczna do prawidłowego rozwoju organizmu. Ilość TAD w genomie ssaków szacuje się na około 2000, co przy szacunkowej, całkowitej liczbie 20 000 genów w naszym organizmie jest naprawdę znaczącą liczbą [8].

A close up of a map Description automatically generated

Rycina 1. Na podstawie Benabdallah i Bickmore, 2015. Różne modele współdziałania enhancerów i promotorów. A) model bazujący na przesuwaniu się (ang. tracking) polimerazy RNA od enhancera aż do miejsca rozpoczęcia transkrypcji; B) tworzenie się oligomeru białkowego pomiędzy enahancerem i promotorem; C) Bezpośrednie oddziaływanie poprzez wypętlenie się nici DNA; D) Domena TAD w której znajdują się enhancery i promotory.

Jak wspomniałem wcześniej, enhancery odgrywają ogromną rolę w procesie patogenezy wielu chorób genetycznych – możemy nawet wyodrębnić osobną grupę chorób nazywanych enhanceropatiami. Przyczyną tych zespołów genetycznych mogą być m.in delecje enhancerów (np. delecja fragmentu 700 000 pz poniżej genu DLX5 powodująca rozszczep stóp lub dłoni u noworodków), duplikacje enhancerów (np. zaburzenia rozwoju płci – DSD, wywołane duplikacją enhancera powyżej genu SOX9) czy mutacje punktowe w enhancerach przyczyniające się m. in do anirydii (mutacje w miejscu wiązania się białka PAX6 do enhancera tego genu- pętla zwrotna). W celu łagodzenia skutków uszkodzenia enhancerów, w naszych genomach w drodze ewolucji doszło do wytworzenia systemu zabezpieczającego- bardzo często wiele enhancerów równolegle wpływa na ekspresję tego samego genu i uszkodzenie jednego z nich ma stosunkowo niewielki wpływ na fenotyp [9].

Temat regulacji ekspresji genów jest niezwykle złożony i obecny stan naszej wiedzy okrywa jedynie czubek góry lodowej. Najbliższe lata z pewnością przyniosą wiele przełomów w tej niesamowicie ciekawej dziedzinie genetyki. Niemniej, wniosek płynący z powyższego artykułu podkreśla znaczenie sekwencjonowania całego genomu w kontekście diagnostyki chorób rzadkich, gdyż skupianie się tylko na sekwencjach kodujących białka, może doprowadzić do przeoczenia właściwych przyczyn choroby genetycznej.

Niezwykle ciekawy wykład na ten temat zaprezentowała prof. Bickmore na tegorocznej konferencji Europejskiego Towarzystwa Genetyki Człowieka (ESHG 2020), tytuł wykładu: Searching for function in the non-coding genome. Za badania związane z działaniem enhancerów i ich związkiem z chorobami genetycznymi prof. Bickmore otrzymała nagrodę ESHG za indywidualny wkład w rozwój genetyki. To właśnie ta prezentacja była inspiracją do napisania niniejszego artykułu.

 

Bibliografia:

1. Maurano, M. T. et al. Systematic Localization of Common Disease-Associated Variation in Regulatory DNA. Science 337, 1190–1195 (2012).

2. P, G., R, D. & G, K. Simian Virus 40 Tandem Repeated Sequences as an Element of the Early Promoter. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America vol. 78 https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/6262784/ (1981).

3. Rainger, J. K. et al. Disruption of SATB2 or its long-range cis-regulation by SOX9 causes a syndromic form of Pierre Robin sequence. Hum. Mol. Genet. 23, 2569–2579 (2014).

4. Su, W., Jackson, S., Tjian, R. & Echols, H. DNA looping between sites for transcriptional activation: self-association of DNA-bound Sp1. Genes Dev. 5, 820–826 (1991).

5. Benabdallah, N. S. & Bickmore, W. A. Regulatory Domains and Their Mechanisms. Cold Spring Harb. Symp. Quant. Biol. 80, 45–51 (2015).

6. Jin, F. et al. A high-resolution map of the three-dimensional chromatin interactome in human cells. Nature 503, 290–294 (2013).

7. Nuebler, J., Fudenberg, G., Imakaev, M., Abdennur, N. & Mirny, L. A. Chromatin organization by an interplay of loop extrusion and compartmental segregation. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 115, E6697–E6706 (2018).

8. Bickmore, W. A. Patterns in the genome. Heredity (Edinb) 123, 50–57 (2019).

9. Osterwalder, M. et al. Enhancer Redundancy Allows for Phenotypic Robustness in Mammalian Development. Nature 554, 239–243 (2018).

 

  1. Cis– czyli znajdujące się na tej samej nici DNA (przeciwieństwo od trans)

 

Podziel się: