معلومة

17.3: مستويات إضافية لتنظيم النسخ - علم الأحياء


حقيقيات النوى تنظم النسخ عبر المروجين متواليات قريبة من وحدة النسخ (كما في بدائيات النوى) وتستخدم أيضًا المزيد تسلسل محسن بعيد لتوفير مزيد من الاختلاف في توقيت ومستوى وموقع النسخ ، ومع ذلك ، لا تزال هناك مستويات إضافية من التحكم الجيني. غالبًا ما يكون هذان الشخصان مترابطين.

ديناميكيات الكروماتين

على الرغم من الطريقة المبسطة التي غالبًا ما نمثل بها الحمض النووي بأرقام مثل تلك الموجودة في هذا الفصل ، فإن الحمض النووي دائمًا ما يرتبط ببروتينات الكروماتين المختلفة. على سبيل المثال ، تظل الهستونات مرتبطة بالحمض النووي حتى أثناء النسخ. وبالتالي يتم التحكم أيضًا في معدل النسخ من خلال إمكانية وصول الحمض النووي إلى RNApol والبروتينات التنظيمية. لذلك ، في المناطق التي يكون فيها الكروماتين مضغوطًا بدرجة كبيرة ، فمن غير المحتمل أن يتم نسخ أي جين ، حتى لو كان كل ما هو ضروري. رابطة الدول المستقلة- و عبر- عوامل موجودة في النواة. يتم تنظيم مدى انضغاط الكروماتين في مناطق مختلفة من خلال عمل إعادة عرض الكروماتين البروتينات. تشتمل مجمعات البروتين هذه على إنزيمات تضيف أو تزيل العلامات الكيميائية ، مثل مجموعات الميثيل أو الأسيتيل ، إلى بروتينات مختلفة مرتبطة بالحمض النووي. تغير هذه التعديلات كثافة الكروماتين المحلية وبالتالي توفر النسخ. أسيتيل تميل الهيستونات ، على سبيل المثال ، إلى الارتباط بالجينات المنسوخة بنشاط ، بينما منزوع الأسيتيل ترتبط هيستون بالجينات التي تم إسكاتها (الشكل ( PageIndex {15} )).

بطريقة مماثلة، مثيلة من الحمض النووي نفسه يرتبط أيضًا بتنظيم النسخ. قواعد السيتوزين ، خاصةً عندما يتبعها الجوانين (مواقع CpG) أهداف مهمة لمثيلات الحمض النووي (الشكل ( PageIndex {16} )). غالبًا ما يرتبط السيتوزين الميثيل داخل مجموعات مواقع CpG بالحمض النووي غير النشط نسبيًا.

يعد تعديل الحمض النووي والبروتينات المرتبطة به قابلاً للانعكاس إنزيميًا (أستلة / نزع ؛ مثيلة / نزع ميثيل) وبالتالي يكون نشاطًا دوريًا. يوفر تنظيم هذا طبقة أخرى تتحكم من خلالها الخلايا حقيقية النواة في نسخ جينات معينة.


الفصل 17 تنظيم النسخ الجيني وتمايز الخلايا الكيراتينية بواسطة Anandamide

Anandamide (AEA) هو عضو في فئة داخلية من وسطاء الدهون ، والمعروفة باسم endocannabinoids ، والتي تشارك في عمليات بيولوجية مختلفة. على وجه الخصوص ، ينظم AEA نمو الخلايا والتمايز والموت. يوضح تراكم الأدلة أن AEA يتحكم أيضًا في تمايز البشرة ، وهو أحد أفضل الآليات المميزة لتخصص الخلية. في الواقع ، البشرة عبارة عن ظهارة متقرنة متعددة الطبقات تعمل كحاجز لحماية الكائن الحي من الجفاف والصدمات الميكانيكية والإهانات الميكروبية. يتم إنشاء وظيفتها أثناء مرحلة التطور الجنيني ويتم الحفاظ عليها طوال فترة حياة الكائن الحي بالكامل ، من خلال برنامج معقد ومحكم بإحكام ، يسمى التمايز الطرفي للبشرة (أو التقرن). بينما تمت دراسة التغيرات المورفولوجية التي تحدث أثناء التقرن على نطاق واسع ، فإن الآليات الجزيئية التي تكمن وراء هذه العملية لا تزال غير مفهومة جيدًا.

في هذا الفصل ، نلخص المعرفة الحالية حول التنظيم الجزيئي للتكاثر والتمايز النهائي في بشرة الثدييات. في هذا السياق ، نظهر أن endocannabinoids يتم تنظيمها بدقة بواسطة برنامج التمايز ويمكن أن تتداخل معه. بالإضافة إلى ذلك ، نقوم بمراجعة دور AEA في التحكم في التقرن ، ونوضح أنه يحدث من خلال الحفاظ على قمع نسخي للتعبير الجيني من خلال زيادة مثيلة الحمض النووي.


إنزيمات معدل الكروماتين ورمز هيستون والسرطان

في جميع الكائنات الحية ، يتم تنظيم تكاثر الخلايا من خلال أنماط منسقة من التعبير الجيني. ينتج النسخ من نشاط آلية RNA polymerase ويعتمد على قدرة منشطات النسخ والمثبطات للوصول إلى الكروماتين في محفزات معينة. خلال العقود الماضية ، تدعم الأدلة المتزايدة تنظيم النسخ الشاذ كمساهمة في تطور السرطانات البشرية. في الواقع ، غالبًا ما يتم تحديد البروتينات التنظيمية للنسخ في إعادة ترتيب الكروموسومات المنشأ الورمية ويتم التعبير عنها بشكل مفرط في مجموعة متنوعة من الأورام الخبيثة. معظم منظمات النسخ عبارة عن بروتينات كبيرة ، تحتوي على مجالات هيكلية ووظيفية متعددة بعضها مع نشاط إنزيمي. تعمل هذه الأنشطة على تعديل بنية الكروماتين ، وإغلاق مناطق معينة من الحمض النووي وتعريض مناطق أخرى للتفاعل مع آلية النسخ. وهكذا ، تمثل معدّلات الكروماتين مستوى إضافيًا من تنظيم النسخ. في هذه المراجعة ، نركز على العديد من عائلات منشطات النسخ والمثبطات التي تحفز تعديلات ما بعد الترجمة للهيستون (أستلة ، مثيلة ، فسفرة ، انتشار و SUMOylation) وكيف يمكن لهذه الأنشطة الأنزيمية أن تغير برنامج تكاثر الخلايا الصحيح ، مما يؤدي إلى السرطان.


نتائج

تحديد الجينات التي تؤثر على مثيلة الحمض النووي

من أجل تحديد الجينات التي تؤثر على مثيلة الحمض النووي ، استخدمنا نهجًا يتكون من جزأين. أولاً ، حددنا المتغيرات الجينية التنبؤية للتعبير عن كل جين في بياناتنا وقمنا بتجميعها في درجات تنبؤية واحدة تسمى الأدوات الجينية (GIs) [13]. ثانيًا ، استخدمنا المؤشرات الجغرافية هذه كمثبتات سببية للتأسيس توجه آثار التعبير الجيني على مستويات مثيلة الحمض النووي على مستوى الجينوم ، مع ضمان أن هذه الارتباطات كانت كذلك محدد من خلال حساب اختلال التوازن في الارتباط (LD) وتعدد الأشكال بين GIs المجاورة (انظر الشكل 1 للحصول على نظرة عامة على الخطوات المتتالية في التحليل).

مخطط انسيابي يوضح الخطوات المتعاقبة التي أدت إلى تحديد 818 جينًا تؤثر على مثيلة الحمض النووي في العابرة

لبناء الأدوات الجينية ، استخدمنا بيانات عن 3357 فردًا غير مرتبط بهم مع النمط الجيني المتاح وبيانات RNAseq المستمدة من الدم الكامل. ركزنا التحليل على 11830 جينًا معبرًا (متوسط ​​الأعداد لكل مليون و GT 1). في مجموعة التدريب (1/3 من البيانات ، 1119 فردًا) ، حصلنا على مؤشر جلايسيمي للتعبير عن كل جين ، والذي يتألف من 1 أو أكثر من تعدد الأشكال المختارة عن طريق تطبيق انحدار LASSO على المتغيرات الجينية القريبة [18]. قمنا بتصحيح بيانات التعبير للعمر والجنس والبنك الحيوي وتكوين خلايا الدم وخمسة مكونات رئيسية. قمنا بعد ذلك بتقييم القدرة التنبؤية لـ GIs المُنشأة في مجموعة اختبار منفصلة من 2238 فردًا من خلال التنبؤ بقيم التعبير الجيني الخاصة بهم باستخدام GIs المشتقة في مجموعة التدريب. من بين 11،830 مؤشرًا جغرافيًا تم اختباره ، كان 8644 تنبئيًا بدرجة كافية بمستويات التعبير في مجموعة الاختبار لتكون بمثابة مؤشرات جغرافية صالحة (F-إحصاء و GT 10 ، متوسط ر 2 = 0.04 ، ملف إضافي 1: جدول S1) [19].

بعد ذلك ، اختبرنا وجود ارتباط بين جميع المؤشرات الجغرافية التنبؤية البالغ عددها 8644 ومستويات مثيلة الحمض النووي على مستوى الجينوم في 428126 موقعًا من مواقع CpG الجسدية في العابرة (& GT. مسافة 10 ميجا بايت من الجين الذي تم اختباره) ، باستخدام بيانات التركيب الوراثي وبيانات مثيلة الحمض النووي (صفيف Illumina 450k) المستمدة من الدم الكامل لـ 4056 فردًا غير مرتبط (3251 عينة متداخلة مع بيانات RNAseq). تم حساب هذه الارتباطات باستخدام الانحدار الخطي ، مع تصحيح العمر والجنس وتكوين خلايا الدم والبنك الحيوي وخمسة مكونات رئيسية ، وتم تصحيح إحصائيات الاختبار للتحيز والتضخم [20]. نتج عن هذه التحليلات توجه الارتباط بين 2223 جينًا و 5284 CpGs (تصحيح Bonferroni ، ص & lt 1.4 × 10 11 ملف إضافي 2: جدول S2). على الرغم من توجيهها ، قد لا تكون الارتباطات الناتجة عن هذا التحليل محددة لجين واحد حيث قد يؤدي عدم توازن الارتباط (LD) و / أو تعدد الأشكال إلى مؤشرات GI تنبؤية للجينات المجاورة المتعددة [13]. لذلك قمنا بتعديل جميع أزواج GI-CpG المهمة لجميع GIs المجاورة (& لتر 1 ميجا بايت) لحساب الارتباط الناجم عن LD / تعدد الأشكال بين الجينات المجاورة. هذا مكننا من تحديد الجين المحدد في منطقة يقود الارتباط الموجه. بعد ذلك ، أزلنا الجينات ذات التأثيرات متعددة الاتجاهات المحتملة المتبقية على التعبير عن الجينات المهمة المجاورة (F & gt 5) (معًا ، أدت هاتان الخطوتان إلى إزالة 1387 جينًا و 2844 CpGs ملف إضافي 3: الجدول S3). أخيرًا ، استبعدنا تأثيرات تعدد الأشكال بعيد المدى و LD (عن طريق إعادة تحليل CpGs المتأثرة بجينات متعددة من نفس الكروموسوم ، بما في ذلك جميع هذه الجينات في النموذج التي تزيل 6 جينات و 13 CpGs) ، والتأثيرات المتبقية لخلايا الدم البيضاء التركيب (عن طريق تصحيح المتغيرات الجينية المعروفة بأنها مرتبطة بإزالة WBC لـ 12 جينًا ، 43 CpGs ، ملف إضافي 4: الشكل S1) [21 ، 22].

كانت النتيجة النهائية لتحليلنا التدريجي عبارة عن مجموعة من 818 جينًا مع ارتباطات موجهة ومحددة مع مستويات مثيلة الحمض النووي لـ 2384 CpGs هدف فريد. في العابرة (تصحيح Bonferroni ، ص & lt 1.4 × 10 11 (ملف إضافي 5: جدول S4). تم تحديد مواقع CpGs المستهدفة في 1915 منطقة متميزة (تحقيقات متتالية ضمن & lt 1 كيلو بايت) ، وبالنسبة للجينات التي تؤثر على مثيلة الحمض النووي في أكثر من موقع CpG ، في المتوسط ​​تم توطين 33 ٪ من CpGs المستهدفة (& lt 1 كيلو بايت) مع في هدف واحد آخر على الأقل CpG (ملف إضافي 6: الجدول S5).

تم التأكد من صحة هذه النتائج من خلال المقارنة مع السابقة عبر-الميثيلة دراسات QTL في الدم. على الرغم من عدم تصميمها لاستنتاج الجينات المسؤولة بشكل خاص عن الارتباطات ، إلا أنه من المتوقع أن تؤدي هذه الدراسات إلى نتائج متداخلة جزئيًا. وجدنا أن 1638 CpGs المستهدفة التي تم تحديدها في دراستنا تم الإبلاغ عنها في ثلاثة مستقلة سابقة عبر- دراسات meQTL (OR = 103 ص & lt 1 × 10 −32) [23،24،25]. بالنسبة للغالبية العظمى من CpGs المتداخلة ، فإن GI المقابل و عبر-meQTL SNP كانت على مقربة (ملف إضافي 4: جدول S6 ، ملف إضافي 7: جدول S7 ، ملف إضافي 8: جدول S8 ، ملف إضافي 9: جدول S9).

أجرينا تحليلات الطاقة اللاحقة لتقييم القوة التي كان علينا اكتشاف أحجام تأثير مختلفة لكل جين تم اختباره (ملف إضافي 4: الشكل S2 وملف إضافي 1: الجدول S1) [26]. في التحليل غير المصحح (غير المصحح لـ GIs المجاورة) ، كان لدينا & gt 0.8 قوة لاكتشاف أحجام التأثير 1 SD (تغيير انحراف معياري واحد في مثيلة الحمض النووي عند تغيير انحراف معياري واحد في التعبير) لحوالي 85٪ من الجينات المختبرة ، و بالنسبة لحوالي 50٪ من الجينات (4475) ، كان لدينا & gt 0.8 قوة لاكتشاف أحجام التأثير 0.5 SD (ملف إضافي 4: الشكل S2). يلزم تصحيح المؤشرات الجغرافية المجاورة لتحديد جينات معينة (بدلاً من المناطق الجينومية ذات الجينات المترابطة المتعددة) ، ولكن يتم ذلك على حساب انخفاض الطاقة. ترك التصحيح 5685 جينًا (مقارنة بـ 7299) مع power & gt 0.8 للكشف عن أحجام تأثير 1 SD وترك 3061 جينًا (مقارنة بـ 4475) مع & gt 0.8 power لاكتشاف أحجام التأثير 0.5 SD (ملف إضافي 4: الشكل. S2). يُظهر هذا التحليل أنه بالنسبة لغالبية الجينات المختبرة ، كنا متمكنين جيدًا لاكتشاف التأثيرات الكبيرة ، ولأكثر من ثلث الجينات ، تمكنا من اكتشاف أحجام التأثير المتوسط. قمنا بتضمين التباين الموضح والقوة عبر أحجام التأثير المختلفة لكل جين في الملف الإضافي 1: الجدول S1.

وظيفة الجينات التي تؤثر على مثيلة الحمض النووي في العابرة

كما هو مبين في الشكل 2 ، جزء كبير (ن = 308) من الجينات المحددة أثرت على العديد من CpGs في العابرة (ملف إضافي 6: الجدول S5). لاحظنا أن هذه الجينات ، في كثير من الأحيان ، إما تزيد أو تنقص مثيلة الحمض النووي في CpGs المستهدفة (الشكل 2 أ). بالنسبة لـ 30 من أصل 37 جينًا كانت مرتبطة بـ 10 أو أكثر من CpGs ، كان اتجاه التأثير منحرفًا بشكل كبير نحو زيادة (19 جينًا) أو انخفاض (11 جينًا) مستويات مثيلة ، على التوالي (اختبار ذي الحدين ، FDR & lt 0.05 ، ملف إضافي 10: الجدول S10). درسنا في البداية اثنين من الأدوار الجزيئية المفترضة سابقًا للجينات المحددة: عوامل النسخ [27] والعوامل اللاجينية الأساسية [6] ، والتي سنناقشها الآن بمزيد من التفصيل.

جزء كبير من الجينات المحددة (ن = 308) أثرت على العديد من CpGs المستهدفة في العابرة. أ كل نقطة تمثل الجين مع عبر آثار مثيلة الحمض النووي. ال x- يُظهر المحور عدد CpGs المستهدفة المتأثرة مع انخفاض مستويات المثيلة عند زيادة التعبير الجيني ، و ذ- يُظهر المحور عدد CpGs المستهدفة المصابة مع زيادة مستويات المثيلة عند زيادة التعبير الجيني. الشكل الموجود في الزاوية العلوية اليمنى عبارة عن نسخة مكبرة يتم فيها عرض الجينات التي تؤثر على أقل من 25 موقعًا من مواقع CpG في أي من الاتجاهين فقط. ب تمثل الأشرطة عدد الجينات مع 1 أو 2 أو 3-5 أو أكثر من 5 CpGs مستهدفة. تزداد النسبة المئوية للجينات التي تم شرحها كعوامل نسخ مع زيادة عدد CpGs المستهدفة

عوامل النسخ

وجدنا أن الجينات المحددة (818) تم إثرائها لعوامل النسخ (TFs) (ن = 127 ، نسبة الأرجحية = 2.74 ، ص = 3.1 × 10 −18) باستخدام قائمة منسقة يدويًا من TFs [27]. لم يتم تفسير هذا الإثراء من خلال امتلاك الصناديق الجينية لأدوات وراثية أقوى في الواقع ، حيث كان لدى غير الصناديق أدوات أقوى من الصناديق (ص = 6.3 × 10 8 ملف إضافي 4: الشكل S3). كما هو مبين في الشكل 3 أ ، كان هذا الإثراء مدفوعًا بـ TFs التي كانت مرتبطة بمجموعة CpGs متعددة الأهداف ، وكان هناك إثراء TF أقوى مع عدد متزايد من CpGs المستهدفة. في المجموع ، أثر 80 (63 ٪) من TFs المهمة في بياناتنا على أكثر من موقع CpG ، والذي كان إثراءًا كبيرًا مقارنة بالجينات غير TF (OR = 3.45 ، ف = 3.1 × 10 10). وجدنا أيضًا أن CpGs المستهدفة الخاصة بـ TFs غالبًا ما تكون مترجمة. بالنسبة إلى TFs التي تؤثر على أكثر من 1 CpG ، في المتوسط ​​، تم توطين 45 ٪ من CpGs المستهدفة مع هدف آخر على الأقل CpG (& lt 1 kb) ، والذي كان إثراءًا كبيرًا مقارنةً بـ non-TFs (متوسط ​​non-TFs = 25٪ ، أو = 2.5 ، ص = 2.2 × 10 21). كانت غالبية TFs إما تزيد باستمرار أو تنقص باستمرار مثيلة الحمض النووي في CpGs المستهدفة: كان هناك انحراف كبير في اتجاه التأثير لـ 20 من أصل 23 TFs التي ارتبطت بـ 10 CpGs على الأقل (6 انخفضت باستمرار ، و 14 زادت باستمرار مثيلة الحمض النووي في CpGs المستهدفة ، على التوالي). TFs التي تؤثر على معظم CpGs المدرجة NFKB1، منظم مناعي رئيسي (142 منطقة CpGs 127 مستهدفة ، أي عدة CpGs متباعدة أقل من 1 كيلو بايت) ZBTB38، و TF ملزم بالميثيل (49 منطقة CpGs المستهدفة 34) و ZNF202، وهو بروتين إصبع الزنك يشارك في استقلاب الدهون (37 منطقة CpGs المستهدفة 19). تنتمي مائة من 127 (79٪) TFs إلى عائلة أصابع الزنك C2H2 (نسبة الأرجحية = 3.07 ، ص = 5.2 × 10 7) ، ومعظمها (ن = 70) يحتوي على مجال KRAB. تمشيا مع إثراء TFs وأصابع الزنك ، تم تمثيل مجموعة الجينات بشكل كبير في مصطلحات GO ربط الحمض النووي (ن = 99, ص = 1.1 × 10 −14) ، ربط الحمض النووي (ن = 114, ص = 4.7 × 10 −9) ، ربط أيون معدني (ن = 146, ص = 1.4 × 10 8) ، ونشاط عامل النسخ (ن = 73, ف = 4.4 × 10 −8) (ملف إضافي 11: الجدول S11).

أ الإثراء (نسبة الأرجحية) لعوامل النسخ بين الجينات المحددة مع 1 ، 2 ، 3-5 ، أو أكثر من 5 CpGs مستهدفة. تمثل أشرطة الخطأ 95٪ فترات ثقة. ب إثراء موقع ربط عامل النسخ ، كل نقطة تمثل عامل نسخ ، مع على x-محور لوغاريتم عدد CpGs المستهدفة لعامل النسخ هذا (على مستوى أهمية على مستوى الجين ص & lt 1.2 × 10 −7) ، وعلى ذ- محور نسبة الأرجحية لإثراء CpGs المستهدفة في مواقع الربط المحددة تجريبياً (ChIP-seq). يمثل حجم النقاط الأهمية (FDR) ، و TFs التي تم إثراء CpGs المستهدفة لها بشكل كبير في مواقع الربط الخاصة بها باللون الأزرق

لتقييم ما إذا كانت TFs قد تؤثر على مثيلة الحمض النووي مباشرة (أي في مواقع الربط الخاصة بها) ، استفدنا من بيانات ChIP-seq الحالية [28]. بالنسبة لكل TF ، حددنا التداخل بين CpGs المستهدفة (عند عتبة كبيرة على مستوى الجينات: ص & lt 1.2 × 10 −7) ومواقع الربط المحددة تجريبياً مقارنة بخلفية مطابقة لمحتوى GC. كانت بيانات ChIP-seq متاحة لـ 59 من أصل 110 TFs تؤثر على العديد من CpGs (في ص & lt 1.2 × 10 −7). لثلث هذه الصناديق (ن = 20) ، تم إثراء CpGs المستهدفة بشكل كبير من أجل التوطين المشترك مع مواقع ربط TF الخاصة بكل منها (FDR & lt 0.05 الشكل. 3 ب ، ملف إضافي 12: الجدول S12).

العوامل الجينية الأساسية

بعد ذلك ، قمنا بمقارنة النتائج التي توصلنا إليها مع قاعدة بيانات منسقة يدويًا للعوامل اللاجينية الأساسية (EpiFactors) [6]. تركز قاعدة البيانات هذه بشكل أساسي على الإنزيمات الأساسية التي تكتب علامات التخلق المتوالي و / أو تحافظ عليها بشكل مباشر ، ولكنها تتضمن أيضًا بعض "الحالات الحدودية" ، مثل TFs التي تتفاعل مع البروتينات اللاجينية. وجدنا أن 36 من الجينات المحددة تتداخل مع الجينات في قاعدة البيانات هذه (نسبة الأرجحية = 1.02 ، ص & gt 0.05) ، منها 12 أثرت على أكثر من 1 CpG ، والتي لم تشكل إثراءًا كبيرًا مقارنة بالجينات الأخرى التي تؤثر على CpGs المتعددة (نسبة الأرجحية = 0.82 ، ص & GT 0.05). ومن المثير للاهتمام أن غالبية الجينات الـ 36 تشفر البروتينات التي تستهدف بروتينات الهيستون (27 من 36 ، OR = 1.13 ، ص & GT 0.05). تم أيضًا شرح 7 جينات أخرى على أنها TFs في كتالوج TF المنسق يدويًا [27]. تشمل العوامل الوراثية اللاجينية الأساسية المرتبطة بمعظم CpGs المستهدفة عامل النسخ IKZF1 (يرتبط بشكل إيجابي بالميثيل في 17 CpGs المستهدفة) ، هيستون ديميثيلاز KDM5B (يرتبط بشكل إيجابي بالمثيلة في 7 CpGs المستهدفة) ، و BRD3، الذي يتعرف على بقايا اللايسين الأسيتيل على الهستونات (المرتبطة بشكل إيجابي بالمثيلة في 5 CpGs المستهدفة). تضمنت العوامل الوراثية اللاجينية الأساسية أيضًا إنزيم ميثيل ترانسفيراز الحمض النووي DNMT3A، والذي ارتبط بزيادة المثيلة في خمسة CpGs المستهدفة. مزيد من استكشاف الإمكانات DNMT3A أشارت الأهداف إلى أن إحصائيات الاختبار DNMT3A كانت تنحرف نحو مستويات مثيلة الحمض النووي المتزايدة ، المتوافقة مع تأثيرات واسعة النطاق ولكن صغيرة (ملف إضافي 4: الشكل S4). من الجدير بالذكر ، من المعدلات الرئيسية الأخرى لمثيلة الحمض النووي (DNMT1, DNMT3B, TET1،2،3) ، كان لدينا مؤشر جلايسيمي تنبؤي كافٍ لـ DNMT1 فقط. ومع ذلك ، في كل من التحليلات المصححة وغير المصححة (لـ GIs المجاورة) ، لم نجد ارتباطات مهمة لهذا الجين (ملف إضافي 4: الشكل S4) ، على الرغم من أن القوة الإحصائية للتحليل غير المصحح كانت مشابهة جدًا لتلك الخاصة بـ DNMT3A (ملف إضافي 1: جدول S1).

الآليات الأخرى الكامنة وراء تنظيم مثيلة الحمض النووي

أخيرًا ، فإن غالبية الجينات المحددة (ن = 662) لا تنتمي إلى فئتين بدائيتين (TFs والعوامل اللاجينية الأساسية الشكل 2). جزء صغير من هذه الجينات يشفر البروتينات بخصائص ربط الحمض النووي (ن = 24 ، أو = 0.91 ، ص & GT 0.05). BEND3، على سبيل المثال ، هو بروتين مرتبط بالحمض النووي المرتبط بزيادة المثيلة في 15 موقعًا من مواقع CpG. أظهرت دراسة سابقة أن BEND3 يقمع النسخ عن طريق جذب مركب MBD3 / NuRD الذي يبدأ نزع استيل الهيستون [29].

لم يكشف تحليل التخصيب بمصطلح GO الوظائف المهمة الكامنة وراء هذه الجينات. لاستكشاف الوظائف البيولوجية المحتملة بين هذه الجينات ، نقدم دراسات الحالة أدناه للجينات الخمسة من هذه المجموعة التي ارتبطت بأكثر CpGs المستهدفة: SENP7 (189 CpGs مستهدفة) ، CDCA7 (79 CpGs المستهدفة) ، NFKBIE (76 CpGs المستهدفة) ، CDCA7L (47 CpGs المستهدفة) ، و NLRC5 (43 CpGs المستهدفة).

NFKBIE

ال NFKBIE يقوم الجين بترميز IκBε وهو مثبط لـ NFκB ، وهو عامل نسخ يلعب دورًا أساسيًا في تنظيم الاستجابة المناعية [30 ، 31]. يرتبط IκB بمكونات NFκB ويحتفظ بها في السيتوبلازم ، وبالتالي يمنعه من تنشيط الجينات في النواة. تمشيا مع التفسير السابق ل عبر- تأثير الميثيل QTL [16] ، زيادة التعبير عن NFKB1 كان مرتبطًا بفقدان مثيلة الحمض النووي على مستوى الجينوم. في المقابل ، زاد التعبير عن NFKBIE أسفرت أعلى مستويات المثيلة في 76 موقعًا من مواقع CpG عبر الجينوم (70 منطقة). تمشيا مع دوره كمثبط NFκB ، يتداخل عدد كبير من CpGs المستهدفة (28) مع CpGs المستهدفة لـ NFκB ويظهر تأثيرات معاكسة (الشكل 4 أ). لمزيد من توصيف CpGs المستهدفة ، قمنا بتداخل CpGs مع تحقيقات مرتبطة بالسمات مدرجة في EWASdb [32] (يتم تضمين نتائج جميع الجينات في الملف الإضافي 13: الجدول S13). تم إثراء CpGs المستهدفة لـ CpGs المرتبطة بالسمنة / مؤشر كتلة الجسم ، بما يتوافق مع دور NFκB في الالتهاب المرتبط بالسمنة [33].

أ شبكة عامل النسخ NFKB1 ومثبطه NFKBIE. تشير الدوائر الرمادية إلى CpGs المستهدفة ، وتمثل الأسهم ارتباطات موجهة (أي الارتباط بين مستويات مثيلة GI و DNA). تشير الخطوط الزرقاء إلى وجود ارتباط إيجابي بين التعبير الجيني ومستويات مثيلة الحمض النووي ، وتشير الخطوط الحمراء إلى وجود ارتباط سلبي بين مستويات التعبير الجيني ومستويات مثيلة الحمض النووي. ب NLRC5 (كروموسوم 16) كان مرتبطًا بانخفاض مستويات مثيلة الحمض النووي عند عدة (ن = 43) مواقع CpG في منطقة MHC الكلاسيكية والممتدة (كروموسوم 6). تشير الخطوط الحمراء إلى ارتباط سلبي بين NLRC5 مستويات التعبير ومستويات مثيلة الحمض النووي. تشير الأرقام المعروضة في السطور إلى عدد CpGs المستهدفة التي يمثلها الخط. يتم عرض تسميات الجينات إذا ارتبط واحد أو أكثر من CpGs بالتعبير عن هذه الجينات. تشير رموز الجينات الزرقاء إلى الجينات المرتبطة سلبًا مع مثيلة CpG المستهدفة (مما يعني ضمناً تنظيمًا بواسطة NLRC5) والعكس صحيح بالنسبة للملصقات الحمراء. تشير العلامات النجمية إلى أن المؤشر الجلايسيمي المقابل لـ NLRC5 كان مرتبطًا أيضًا (بشكل إيجابي) بهذا الجين

NLRC5

زيادة التعبير عن NLRC5 كان مرتبطًا بانخفاض مستويات المثيلة في 43 موقعًا من مواقع CpG (11 منطقة) ، والتي كانت جميعها تقع في منطقة MHC الكلاسيكية أو الممتدة [34]. NLRC5 هو منشط معروف لجينات الفئة الأولى من معقد التوافق النسيجي الكبير [35] ، وتماشياً مع هذا ، مستويات المثيلة لمعظم CpGs المستهدفة (ن = 36) سلبًا مع مستويات التعبير لواحد أو أكثر من جينات MHC المجاورة (الشكل 4 ب / الملف الإضافي 14: الجدول S14 ، الملف الإضافي 15: الجدول S15). علاوة على ذلك ، فإن المؤشر الجلايسيمي المقابل لـ NLRC5 كان مرتبطًا بشكل إيجابي بالتعبير عن 16 من هذه الجينات. لا يحتوي NLRC5 نفسه على مجال ربط DNA بدلاً من ذلك ، فقد ثبت أنه يؤثر على النسخ من خلال التعاون مع مركب متعدد البروتينات يتم تجميعه على معزز MHC من الفئة الأولى [35]. ومن المثير للاهتمام ، أن NLRC5 يعمل كمنصة للإنزيمات التي تفتح الكروماتين عن طريق أستلة هيستون و / أو إزالة ميثيل هيستون H3 ، مما يشير إلى أن انخفاض مثيلة الحمض النووي قد يكون نتيجة لتغيير حالة الكروماتين. تمشيا مع دور NLRC5 في الاستجابة المناعية ، فإن CpGs المستهدفة NLRC5 تم إثرائها لـ CpGs التي كانت مرتبطة سابقًا بالاضطرابات المرتبطة بالمناعة (بما في ذلك اضطرابات المناعة الذاتية الأولية متلازمة سجوجرن ومرض النسيج الضام المختلط ومستويات sTNFR2 ، الملف الإضافي 13: الجدول S13) [32].

SENP7

كان الجين صاحب أكبر عدد من CpGs المستهدفة المكتشفة SENP7. كان مرتبطًا بانخفاض مستويات المثيلة في 189 CpGs المستهدفة (87 منطقة) ومع زيادة مستويات المثيلة في 19 CpGs المستهدفة (12 منطقة). كانت غالبية (86٪) من CpGs المستهدفة موجودة على ذراع q للكروموسوم 19. بالنسبة لمعظم CpGs (92٪) ، ارتبطت مستويات مثيلة الحمض النووي بمستويات التعبير لواحد أو أكثر من أصابع الزنك القريبة (إضافية ملف 16: الجدول S16 ، ملف إضافي 17: الجدول S17) ، بما يتفق مع تحليل شبكة الجينات السابق [13]. على الرغم من أن SENP7 لا يحتوي على خصائص مرتبطة بالحمض النووي ، فقد أظهرت الأبحاث السابقة أنه يمارس تأثيره من خلال إزالة السوماتين من مثبط الكروماتين KAP1 [36]. يمكن أن يكون KAP1 بمثابة سقالة للعديد من العوامل المحفزة للكروماتين المتغاير ، وهناك دليل ناشئ على أن KAP1 متورط بشكل مباشر في تنظيم مثيلة الحمض النووي [37 ، 38]. لذلك يمكن أن يؤثر SENP7 على مثيلة الحمض النووي من خلال تفاعله مع KAP1. تميزنا كذلك SENP7 استهدف CpGs عن طريق تداخل CpGs مع تحقيقات مرتبطة بالسمات ووجدت إثراءًا لـ CpGs المرتبطة بمتلازمة ويرنر [32]. ومن المثير للاهتمام أن المنتج الجيني لمتلازمة ويرنر تم تعديله بواسطة SUMO [39 ، 40] وبالتالي قد يكون مرتبطًا بوظيفة SENP7 كبروتياز سومو.

CDCA7

الطفرات في CDCA7 ثبت أنها تسبب متلازمة ICF ، وهو نقص مناعي أولي نادر يتميز بخلل في الوراثة اللاجينية [41]. أظهرت الأبحاث السابقة ذلك CDCA7- يظهر مرضى ICF المتحولون انخفاض مستويات مثيلة الحمض النووي في التكرارات المحيطة بالوسط ومناطق الكروماتين المغايرة ، وبالمثل ، CDCA7 يؤدي استنفاد الخلايا الليفية الجنينية للفأر إلى انخفاض مثيلة الحمض النووي عند التكرارات المركزية [41 ، 42]. تمشيا مع هذا العمل السابق ، وزيادة التعبير عن CDCA7 كان مرتبطًا بزيادة مستويات المثيلة في 79 موقعًا من مواقع CpG (79 منطقة) والتي تم توزيعها عبر الكروموسومات (الشكل 5 أ) وتم إثرائها في المناطق منخفضة النشاط (على سبيل المثال ، الدول الهادئة الشكل 5 ب) [43]. بالإضافة إلى ذلك ، تم إثراء CpGs المستهدفة في تسلسل متكرر كما هو محدد بواسطة UCSC RepeatMasker (نسبة الأرجحية 2.13 ، ص = 0.006) [44]. أظهرت مؤامرة بركان أن إحصائيات الاختبار لـ CDCA7 كانت تميل بشدة نحو التأثيرات الإيجابية ، مما يشير إلى ذلك CDCA7 له تأثيرات واسعة النطاق على مثيلة الحمض النووي (ملف إضافي 4: الشكل S5a).

أ CDCA7 (موجود على الكروموسوم 2) و CDCA7L (الموجود في الكروموسوم 7) كلاهما يؤثر على مستويات مثيلة الحمض النووي على مستوى الجينوم. تشير الخطوط الزرقاء إلى ارتباط إيجابي بين CDCA7 التعبير و عبر مستويات مثيلة الحمض النووي. تشير الخطوط الخضراء إلى وجود ارتباط إيجابي بين CDCA7L مستويات التعبير و عبر مستويات مثيلة الحمض النووي. ب, ج التمثيل الزائد أو الناقص لـ CpGs المستهدفة في حالات الكروماتين المتوقعة لـ ب CDCA7 و ج CDCA7L. تمثل الأشرطة الزرقاء تخصيب CpGs التي تعتبر مهمة على مستوى أهمية الجينوم (ص & lt 1.4 × 10 −11) ، وتمثل الأشرطة الرمادية إثراءًا لـ CpGs المهمة على مستوى الأهمية الجيني (ص & lt 1.2 × 10 7). BivFlnk ، محسن TSS ثنائي التكافؤ / Enh ، محسن EnhBiv ، محسن ثنائي التكافؤ EnhG ، محسن وراثي Het ، خواص TSS غير متجانسة ، إعادة تشغيل هادئة ، بولي كومب مكبوت RepPCWk ، بولي كومب مكبوت ضعيف TssA ، TSS TssAFlnk نشط TSS / TSS نسخ قوي TxFlnk ، نسخ ضعيف ZNF / Rpts ، جينات ZNF وتكرار

CDCA7L

CDCA7L هو نظير من CDCA7، وبالمثل ، ارتبط تعبيره المتزايد بزيادة مستويات مثيلة الحمض النووي على مستوى الجينوم (47 موقعًا من مواقع CpG ، 47 منطقة ، الشكل 5 أ وملف إضافي 4: الشكل S5b). CDCA7Lلم تتداخل CpGs المستهدفة مع تلك الخاصة بـ CDCA7 ومع ذلك ، فقد أظهروا توزيعًا جينيًا مشابهًا وتم إثرائهم في مناطق غير نشطة (الشكل 5 ج) ، على الرغم من تقليل التخصيب في مناطق التكرار كما هو محدد في UCSC RepeatMasker (OR = 1.59 ، ص & GT 0.05). ومن المثير للاهتمام ، أن الأبحاث السابقة أظهرت أن أليل الخطر للمتغير الجيني الأكثر ارتباطًا بالورم النخاعي المتعدد (rs4487645) كان مرتبطًا بزيادة CDCA7L التعبير [45]. لدينا GI لـ CDCA7L يتألف من 5 SNPs ، واحد منها (rs17361667) كان في LD قوي (ص 2 = 0.7) مع متغير المخاطرة rs4487645. إذا كان متغير الخطر يمارس بالفعل تأثيره الممرض من خلال التأثير على CDCA7L التعبير، CDCA7Lقد تكون تأثيرات الحمض النووي على مثيلة الحمض النووي متضمنة في التسبب في الورم النقوي المتعدد. علاوة على ذلك ، كان مؤشر GI متعدد SNP الخاص بنا مؤشراً أقوى لـ CDCA7L التعبير (F = 171) مقارنة بـ rs4487645 (F = 60) وبالتالي قد يكون مفيدًا في اكتساب المزيد من التبصر في دور CDCA7L في المايلوما المتعددة.


البروتينات التنظيمية النسخية

استند عزل مجموعة متنوعة من البروتينات المنظمة للنسخ على ارتباطها المحدد بتسلسل المحفز أو المحسن. عادةً ما يتم تحليل ارتباط البروتين بتسلسلات الحمض النووي هذه عن طريق نوعين من التجارب. تم وصف البصمة الأولى في وقت سابق فيما يتعلق بربط بوليميريز الحمض النووي الريبي بمحفزات بدائية النواة (انظر الشكل 6.3). النهج الثاني هو مقايسة التحول الكهربي للتنقل، حيث يتم تحضين جزء من الحمض النووي الموسوم إشعاعيًا باستخدام مستحضر بروتين ، ثم يتم تعريضه للرحلان الكهربي من خلال مادة هلامية غير قابلة للتشبع (الشكل 6.24). تم الكشف عن ارتباط البروتين على أنه انخفاض في الحركة الكهربية لجزء الحمض النووي ، حيث يتم إبطاء هجرته عبر الهلام بواسطة البروتين المرتبط. أدى الاستخدام المشترك لبصمة القدم ومقايسات التحول الكهربي للتنقل إلى ارتباط مواقع ربط البروتين بالعناصر التنظيمية للمُحسِّنات والمروجين ، مما يشير إلى أن هذه التسلسلات تشكل عمومًا مواقع التعرف على بروتينات محددة مرتبطة بالحمض النووي.

الشكل 6.24

مقايسة التحول الكهربي للتنقل. تنقسم العينة التي تحتوي على شظايا من الحمض النووي ذات العلامات الإشعاعية إلى قسمين ، ويتم تحضين نصف العينة ببروتين يرتبط بتسلسل DNA محدد. ثم يتم تحليل العينات عن طريق الرحلان الكهربي في (more.)

تم تحديد أحد النماذج الأولية لعوامل النسخ حقيقية النواة من قبل روبرت تجيان وزملاؤه أثناء دراسات نسخ الحمض النووي SV40. تم العثور على هذا العامل (المسمى Sp1 ، لبروتين الخصوصية 1) لتحفيز النسخ من محفز SV40 ، ولكن ليس من العديد من المحفزات الأخرى ، في المستخلصات الخالية من الخلايا. بعد ذلك ، وجد أن تحفيز النسخ بواسطة Sp1 يعتمد على وجود صناديق GC في مروج SV40: إذا تم حذف هذه التسلسلات ، تم إلغاء التحفيز بواسطة Sp1. علاوة على ذلك ، أثبتت تجارب البصمة أن Sp1 يرتبط على وجه التحديد بتسلسلات صندوق GC. مجتمعة ، تشير هذه النتائج إلى أن مربع GC يمثل موقعًا محددًا للربط لمنشط النسخ & # x02014Sp1. أثبتت تجارب مماثلة أن العديد من المتواليات التنظيمية النسخية الأخرى ، بما في ذلك تسلسل CCAAT وعناصر التسلسل المختلفة لمُحسِّن الغلوبولين المناعي ، تمثل أيضًا مواقع التعرف على بروتينات ربط الحمض النووي الخاصة بالتسلسل (الجدول 6.2).

الجدول 6.2

أمثلة على عوامل النسخ ومواقع ربط الحمض النووي الخاصة بهم.

لم يؤسس الارتباط المحدد لـ Sp1 بصندوق GC فقط عمل Sp1 كعامل نسخ خاص بالتسلسل ، بل اقترح أيضًا نهجًا عامًا لتنقية عوامل النسخ. شكل عزل هذه البروتينات في البداية تحديًا هائلاً لأنها موجودة بكميات صغيرة جدًا (على سبيل المثال ، 0.001 ٪ فقط من بروتين الخلية الكلي) التي يصعب تنقيتها باستخدام التقنيات الكيميائية الحيوية التقليدية. تم التغلب على هذه المشكلة في تنقية Sp1 بواسطة كروماتوغرافيا تقارب الحمض النووي (الشكل 6.25). ارتبطت نسخ متعددة من قليل النوكليوتيدات المقابلة لتسلسل صندوق GC بدعامة صلبة ، وتم تمرير مقتطفات الخلية عبر عمود قليل النوكليوتيدات. نظرًا لأن Sp1 مرتبط بصندوق GC بدرجة عالية من التقارب ، فقد تم الاحتفاظ به على وجه التحديد في العمود بينما لم يتم الاحتفاظ بالبروتينات الأخرى. وبالتالي يمكن الحصول على Sp1 عالي النقاء واستخدامه لإجراء مزيد من الدراسات ، بما في ذلك التحديد الجزئي لتسلسل الأحماض الأمينية ، والذي أدى بدوره إلى استنساخ الجين لـ Sp1.

الشكل 6.25

تنقية Sp1 بواسطة كروماتوغرافيا تقارب الحمض النووي. A double-stranded oligonucleotide containing repeated GC box sequences is bound to agarose beads, which are poured into a column. A mixture of cell proteins containing Sp1 is then applied to the column (more. )

The general approach of DNA-affinity chromatography, first optimized for the purification of Sp1, has been used successfully to isolate a wide variety of sequence-specific DNA-binding proteins from eukaryotic cells. Protein purification has been followed by gene cloning and nucleotide sequencing, leading to the accumulation of a great deal of information on the structure and function of these critical regulatory proteins.


Cells of the body require nutrients in order to function, and these nutrients are obtained through feeding. In order to manage nutrient intake, storing excess intake and utilizing reserves when necessary, the body uses hormones to moderate energy stores. Insulin is produced by the beta cells of the pancreas, which are stimulated to release insulin as blood glucose levels rise (for example, after a meal is consumed). Insulin lowers blood glucose levels by enhancing the rate of glucose uptake and utilization by target cells, which use glucose for ATP production. It also stimulates the liver to convert glucose to glycogen, which is then stored by cells for later use. Insulin also increases glucose transport into certain cells, such as muscle cells and the liver. This results from an insulin-mediated increase in the number of glucose transporter proteins in cell membranes, which remove glucose from circulation by facilitated diffusion. As insulin binds to its target cell via insulin receptors and signal transduction, it triggers the cell to incorporate glucose transport proteins into its membrane. This allows glucose to enter the cell, where it can be used as an energy source. However, this does not occur in all cells: some cells, including those in the kidneys and brain, can access glucose without the use of insulin. Insulin also stimulates the conversion of glucose to fat in adipocytes and the synthesis of proteins. These actions mediated by insulin cause blood glucose concentrations to fall, called a hypoglycemic “low sugar” effect, which inhibits further insulin release from beta cells through a negative feedback loop.

This animation describe the role of insulin and the pancreas in diabetes.

Impaired insulin function can lead to a condition called diabetes mellitus, the main symptoms of which are illustrated in Figure 18.10. This can be caused by low levels of insulin production by the beta cells of the pancreas, or by reduced sensitivity of tissue cells to insulin. This prevents glucose from being absorbed by cells, causing high levels of blood glucose, or hyperglycemia (high sugar). High blood glucose levels make it difficult for the kidneys to recover all the glucose from nascent urine, resulting in glucose being lost in urine. High glucose levels also result in less water being reabsorbed by the kidneys, causing high amounts of urine to be produced this may result in dehydration. Over time, high blood glucose levels can cause nerve damage to the eyes and peripheral body tissues, as well as damage to the kidneys and cardiovascular system. Oversecretion of insulin can cause hypoglycemia, low blood glucose levels. This causes insufficient glucose availability to cells, often leading to muscle weakness, and can sometimes cause unconsciousness or death if left untreated.

Figure 18.10.
The main symptoms of diabetes are shown. (credit: modification of work by Mikael Häggström)

When blood glucose levels decline below normal levels, for example between meals or when glucose is utilized rapidly during exercise, the hormone glucagon is released from the alpha cells of the pancreas. Glucagon raises blood glucose levels, eliciting what is called a hyperglycemic effect, by stimulating the breakdown of glycogen to glucose in skeletal muscle cells and liver cells in a process called glycogenolysis. Glucose can then be utilized as energy by muscle cells and released into circulation by the liver cells. Glucagon also stimulates absorption of amino acids from the blood by the liver, which then converts them to glucose. This process of glucose synthesis is called gluconeogenesis. Glucagon also stimulates adipose cells to release fatty acids into the blood. These actions mediated by glucagon result in an increase in blood glucose levels to normal homeostatic levels. Rising blood glucose levels inhibit further glucagon release by the pancreas via a negative feedback mechanism. In this way, insulin and glucagon work together to maintain homeostatic glucose levels, as shown in Figure 18.11.

Pancreatic tumors may cause excess secretion of glucagon. Type I diabetes results from the failure of the pancreas to produce insulin. Which of the following statement about these two conditions is true?

  1. A pancreatic tumor and type I diabetes will have the opposite effects on blood sugar levels.
  2. A pancreatic tumor and type I diabetes will both cause hyperglycemia.
  3. A pancreatic tumor and type I diabetes will both cause hypoglycemia.
  4. Both pancreatic tumors and type I diabetes result in the inability of cells to take up glucose.

Regulation of Gene Expression: Negative and Positive Regulation

The two types of gene expression regulation are: (1) Negative Regulation and (2) Positive Regulation. And also discuss about some important terms used in connection with the regulation of gene expression.

Most of the genes of an organism produce specific proteins (enzymes), which, in turn produce specific phenotypes. The genes whose mRNA transcripts are translated into protein are known as structural genes. Every cell of an organism possesses all the structural genes normally present in the species, but only a small fraction of them are functional in any cell at a given time.

In prokaryotes, cells generally synthesize only those enzymes which they need in a given environment. For example, E. coli cells grown in the presence of lactose produce abundant (up to 3000 molecules/cell) β-galactosidase, the enzyme that hydrolyses lactose. However, very little of this enzyme (less than 3 molecules/cell) is produced in the absence of lactose.

In eukaryotes, the cells of different organs produce different proteins needed for their function. Red blood cells contain a high concentration of hemoglobin, while leucocytes (white blood cells) have no hemoglobin at all.

Apparently, there is a precise control on the kinds of proteins or enzymes product in a given tissue or cell at a given time. Such a control on gene activity, i.e., protein production, that permits the function of only those genes whose products are required in a given cell at a given time is termed as gene regulation.

Synthesis of enzyme depends mainly on two factors in a degradative process, the synthesis of enzyme depends on the availability of the molecule to be degraded. If the molecule is in more quantity, the enzyme synthesis will be more and vice versa. In a biosynthetic pathway, the synthesis of an enzyme is controlled by the end product. If the end product is more, the enzyme synthesis will be less and vice versa.

There are two types of gene regulation, viz:

(1) Negative regulation, and

(1) In negative regulation:

An inhibitor is present in the cell/system, that prevents transcription by inactivating the promoter. This inhibitor is known as repressor. For initiation of transcription, an inducer is required. Inducer acts as antagonist of the repressor. In the negative regulation, absence of product increases the enzyme synthesis and presence of the product decreases the synthesis.

(2) In positive regulation:

An effector molecule (which may be a protein or a molecular complex) activates the promoter for transcription. In a degradative system, either negative or positive mechanism may operate, while in a biosynthetic pathway negative mechanism operates (e.g., lac operon).

The phenomenon of gene expression can be elaborated further such as given below:

1. Gene expression is the mechanism at the molecular level by which a gene is able to express itself in the phenotype of an organism.

2. The mechanism of gene expression involves biochemical genetics. It consists of synthesis of specific RNAs, polypeptides, structural proteins, proteinaceous bio-chemicals or enzymes which control the structure or functioning of specific traits.

3. Gene regulation is the mechanism of switching off and switching on of the genes depending upon the requirement of the cells and the state of development.

4. It is because of this regulation that certain proteins are synthesized in as few as 5-10 molecules while others are formed in more than 100,000 molecules per cell.

5. There are two types of gene regulations positive and negative.

6. In negative gene regulation the genes continue expressing their effect till their activity is suppressed.

7. This type of gene regulation is also called repressible regulation.

8. The repression is due to a product of regulatory genes.

9. Positive gene regulation is the one in which the genes remain non-expressed unless and until they are induced to do it.

10. It is, therefore called inducible regulation.

11. Here a product removes d biochemical that keeps the genes in non-expressed state.

12. As the genes express their effect through enzymes, their enzymes are also called inducible enzymes and repressible enzymes.

Gene regulation is exerted at four levels:

1. Transcriptional level when primary transcript is formed.

2. Processing level when splicing and terminal additions are made.

3. Transport of mRNA out of nucleus into cytoplasm.

Important Terms used in Connection with the Regulation of Gene Expression:

In operon, protein molecules which prevent transcription. The process of inhibition of transcription is called repression.

The substance that allows initiation of transcription (e.g., lactose in lac operon). Such process is known as induction.

A combination of repressor and a metabolite which prevents protein synthesis. Such process is known as co-repression.

An enzyme whose production is enhanced by adding the substrate in the culture medium. Such system is called inducible system.

An enzyme whose production can be inhibited by adding an end product. Such system is known as repressible system.

6. Constitutive Enzyme:

An enzyme whose production is constant irrespective of metabolic state of the cell.

Inhibition of transcription by repressor through inactivation of promoter, e.g., in lac operon.

Enhancement of transcription by an effector molecule through activation of pro-motor.


Gene Regulation in Eukaryotes

Let us make an in-depth study of the gene regulation in eukaryotes. After reading this article you will learn about: 1. Chromatin Modification 2. Control of Transcription by Hormones 3. Regulation of Processing of mRNA 4. Control of Life Span of mRNA 5. Gene Amplification 6. Post Translation Regulation and 7. Post Transcription Gene Silencing.

Introduction to Gene Regulation:

The expression of genes can be regulated in eukaryotes by all the principles as those of prokaryotes. But there are many additional mechanisms of control of gene expression in eukaryotes as genome is much bigger. The genes are present in the nucleus where mRNA is synthesized. The mRNA is then exported to cytoplasm where translation takes place.

In eukaryotes, the organization is multicellular and specialized into tissues and organs. The cells are differentiated and cells of a tissue generally produce a specific protein involving a particular set of genes. All other genes become permanently shut off and are never transcribed.

Structural features of eukaryotes that influence the gene expression are the presence of nucleosomes in chromatin, heterochromatin and the presence of the split genes in chromosomes.

As compared to prokaryotic genes, the eukaryotic genes have many more regulatory binding sites and they are controlled by many more regulatory proteins. Regulatory sequences can be present thousands of nucleotides away from the promoter, may lie upstream and downstream. These regulatory sequences act from a distance. The intervening DNA loops out, so that the regulatory sequence and promoter come to lie near each other.

Most of the regulation of gene control occurs at the initiation of transcription level. Initiation of translation also influences gene regulation immensely.

Chromatin Modification:

The genome of eukaryotes is wrapped in histone proteins to form nucleosomes. This condition leads to partial concealment of genes and reduces the expression of genes.

The packing of DNA with histone octomers is not permanent. Any portion of DNA can be released from the octomer whenever DNA binding proteins have to act on it. These DNA binding proteins or enzymes recognize their binding sites on DNA only when it is released from histone octomer or when present on linker DNA. The DNA is unwrapped from nucleosomes.

This unwrapping of DNA from nucleosomes is performed by nucleosome modifier enzymes or nucleosome remodelling complex. They act in various ways. They may remodel the structure of octomer or slide the octomer along DNA, thus uncover the DNA binding sites for the action of regulatory proteins. Thus the genes are activated.

Some of these nucleosome modifiers add acetyl groups (acetylation) to the tails of histones, thus loosen the DNA wrapping and in the process exposes the DNA binding sites. All these lead to the expression of genes. Similarly, deacetylation by deacetylases causes inactivation of DNA.

Nucleosomes are entirely absent in the regions that are active in transcription like rRNA genes.

Dense form of chromatin is called heterochromatin in eukaryotes. It leads to gene inhibition or gene silencing. Heterochromatin is densely packaged part of chromatin which does not allow gene expression. Densely packaged chromatin cannot be easily transcribed. Some enzymes make the chromatin more dense. Telomeres and contromeres are in the form of heterochromatin.

In higher animals about 50% of the genome is in the form of heterochromatin. Enzymes are capable of changing the density of chromatin by chemically modifying the tails of histones. This affects transcription.

In this way, both activation and repression of transcription is performed by modification of chromatin into heterochromatin and euchromatin.

Methylation of certain sequences of DNA prevents the transcription of genes in mammals. It has been observed that genes, which are heavily methylated are not transcribed, therefore not expressed. DNA methylase enzymes cause methylation of certain DNA sequences thereby silencing of genes.

Control of Transcription by Hormones:

Various intercellular and intracellular signals regulate the gene expression.

Hormones exercise considerable control over transcription. Hormones are extracellular substances synthesized by endocrine glands. They are carried to the distant target cells. Various hormones like insulin, estrogen, progesterone, testosterone etc. often act by “switching on” transcription of DNA.

The hormone on entering a target cell forms a complex with the receptor present in the cytoplasm. This hormone-receptor complex enters the nucleus and binds to a particular chromosome by means of specific proteins. This initiates the transcription. Hormone-receptor complex can enhance or suppress the expression of genes.

It has been observed in chickens that when hormone estrogen is injected, the oviduct responds by synthesizing mRNA, which is responsible for synthesis of albumen. The hormone directly binds to DNA and acts as an inducer.

Regulation of Processing of mRNA:

Genes of eukaryotes have non-coding regions (introns) in between coding regions (exons). Such genes are called split genes. The entire gene is transcribed to produce mRNA which is called precursor mRNA or primary transcript (pre-mRNA). Before translation takes place, the introns are spliced out by excision and discarded. This is known as processing of mRNA and the processed mRNA is called mature mRNA. This takes part in protein synthesis. Mature mRNA is considerably smaller than precursor mRNA.

Higher eukaryotes have various mechanisms by which pre-mRNA is processed in alternate or differential ways to produce different mRNAs which encode different proteins. Multiple proteins are produced from one gene by alternate mRNA processing. Many cells take advantage of different splicing pathways to alter the expression of genes and synthesize different polypeptides. Alternate mRNA splicing increases the number of proteins expressed by a single eukaryotic gene.

Alternate processing of pre-mRNA is accomplished by exon skipping, by retaining certain introns etc.

These alternate processing pathways are highly regulated.

In drosophilla mRNA is processed in four different ways, therefore produces four different kinds of muscle protein myosin. Different kind of myosin is produced in larva, pupa and late embryonic stages.

Control of Life Span of mRNA:

In prokaryotes the life span of an mRNA molecule is very brief, lasting only for a minute or less. The mRNA immediately degenerates after the protein synthesis.

But as the mRNA in eukaryotes is transported to cytoplasm through the nucleopores, this mRNA is repeatedly translated. This repeated translation of mRNA is achieved by increasing the life span of mRNA. In a highly differentiated cell, single mRNA molecule having long life span is able to produce large amount of single protein. Life span of a eukaryotic mRNA varies from a few hours to several days.

Chicken oviduct cells have a single copy of ovalbumen gene but produce large amount of albumen.

Silk gland of silkworm produces a very long thread made of protein fibroin, which forms cocoon. Silk gland is a single polyploid cell. It produces large number of mRNA molecules, which have long life span of several days.

Gene Amplification:

A mechanism exists in various organisms whereby the number of genes is increased many fold without mitosis division. This is called gene amplification.

During amplification DNA repeatedly undergoes replication without mitotic separation into daughter DNA molecules or chromatids. This enables the cell to produce large amount of protein in a short time.

Post Translation Regulation:

In prokaryotes, a single polycistronic mRNA molecule codes for many different proteins. But in eukaryotes having mono-cistronic mRNA, synthesis of different proteins is achieved in a different way. A single mRNA yields a large polypeptide called polyprotein. This polyprotein is then cleaved in alternate ways to produce different proteins. Each protein is regarded as the product of a single gene. In this system, there are many cleaving sites on the polyprotien.

Post Transcription Gene Silencing:

Many small RNAs exist in eukaryotes that play their role in silencing of genes. These small RNAs act on mRNA resulting in disruption of translation. These small RNAs are micro RNAs (miRNAs), small interfering RNAs (siRNAs) and many others.


Now that you have learned some of the basics, check out this example that applies what you learned to a specific case study.

The video above briefly describes the laboratory part of this research. To learn more about what this research looks like, check out the “Stickleback Evolution Virtual Lab.”

If you are still a little unsure of how switches work, then check out this HMMI Biointeractive interactive. The ability to digest lactose as an adult is a rare phenomenon in mammals. It evolved twice in humans—in Africa and Europe.

Now let’s test your understanding of transcription regulation!

Take the quiz below the simulation as you work your way through it. Note that if you are using your mouse to scroll down, it may not work at this point—use the scrolling bar at the right edge of your web browser instead.


The Role of KV7.3 in Regulating Osteoblast Maturation and Mineralization

KCNQ (KV7) channels are voltage-gated potassium (KV) channels, and the function of KV7 channels in muscles, neurons, and sensory cells is well established. We confirmed that overall blockade of KV channels with tetraethylammonium augmented the mineralization of bone-marrow-derived human mesenchymal stem cells during osteogenic differentiation, and we determined that KV7.3 was expressed in MG-63 and Saos-2 cells at the mRNA and protein levels. In addition, functional KV7 currents were detected in MG-63 cells. Inhibition of KV7.3 by linopirdine or XE991 increased the matrix mineralization during osteoblast differentiation. This was confirmed by alkaline phosphatase, osteocalcin, and osterix in MG-63 cells, whereas the expression of Runx2 showed no significant change. The extracellular glutamate secreted by osteoblasts was also measured to investigate its effect on MG-63 osteoblast differentiation. Blockade of KV7.3 promoted the release of glutamate via the phosphorylation of extracellular signal-regulated kinase 1/2-mediated upregulation of synapsin, and induced the deposition of type 1 collagen. However, activation of KV7.3 by flupirtine did not produce notable changes in matrix mineralization during osteoblast differentiation. These results suggest that KV7.3 could be a novel regulator in osteoblast differentiation.

الكلمات الدالة: KCNQ channels differentiation glutamate matrix mineralization.

Figures

Regulation of human mesenchymal stem…

Regulation of human mesenchymal stem cell (hMSC) osteogenic differentiation by tetraethylammonium (TEA). Matrix…

Regulation of human mesenchymal stem…

Regulation of human mesenchymal stem cell (hMSC) osteogenic differentiation by tetraethylammonium (TEA). Matrix…

RT-PCR analysis of the K الخامس 7 channels in osteoblast-like cells. The PCR…

Changes in K الخامس 7 channel expression during osteoblastic differentiation. The relative expression…

Functional characteristics of K V…

Functional characteristics of K الخامس 7.3 channel in MG-63 cells during osteoblast differentiation.…

Functional characteristics of K V…

Functional characteristics of K الخامس 7.3 channel in MG-63 cells during osteoblast differentiation.…

Effect of flupirtine, linopirdine, and…

Effect of flupirtine, linopirdine, and XE991 on MG-63 cell viability. The MTT assay…

Regulation of osteoblastic differentiation by…

Regulation of osteoblastic differentiation by K الخامس 7 channel in MG-63 and Saos-2…

mRNA expression of osteoblastic differentiation…

mRNA expression of osteoblastic differentiation markers in MG-63 cells. The relative mRNA expression…

Regulation of synaptic vesicle-related protein,…

Regulation of synaptic vesicle-related protein, synapsin, by K الخامس 7.3 channel in MG-63…

Alterations of ERK1/2 phosphorylation by…

Alterations of ERK1/2 phosphorylation by the K الخامس 7 opener or K V…

Effect of K الخامس 7 channel on glutamate release during osteoblastic differentiation in…

Suppressive effect of CNQX (6-cyano-7-nitroquinoxaline-2,3-dione),…

Suppressive effect of CNQX (6-cyano-7-nitroquinoxaline-2,3-dione), an AMPA (α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid)/kainite receptor antagonist, on osteoblastic…

Suppressive effect of MK801, an…

Suppressive effect of MK801, an NMDA (N-methyl-D-aspartate) receptor antagonist, on osteoblastic differentiation promoted…

Counter-effect of riluzole, a glutamate…

Counter-effect of riluzole, a glutamate release inhibitor, on osteoblastic differentiation promoted by K…

Induction of intracellular type 1…

Induction of intracellular type 1 collagen by K الخامس 7 channel during osteoblast…


شاهد الفيديو: الصف التاسع مادة الأحياء درس مستويات التنظيم الحياتي وحلول الأسئلة (كانون الثاني 2022).