МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2008, том 42, № 3, с. 422-433
== ОБЗОРЫ =
УДК 577.212
АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ПРОМОТОРЫ В РЕАЛИЗАЦИИ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
© 2008 г. Е. В. Панкратова*
*Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгелъгардта, Российской академии наук, Москва, 119991
Поступила в редакцию 14.08.2007 г. Принята к печати 24.12.2007 г.
В последние годы идентифицировано большое количество генов, содержащих несколько промоторов. В настоящем обзоре обобщены данные об участии альтернативных промоторов в формировании структурного и функционального многообразия субформ белков в эукариотических клетках. Рассмотрена роль альтернативных промоторов в синтезе идентичных белков с разных мРНК; в синтезе субформ белка, выполняющих разные, иногда противоположные функции; в экспрессии генов "домашнего хозяйства" и формировании многообразия "узнающих" доменов белков адгезии и рецепторов. Приведены данные о работе альтернативных промоторов, в результате которой с одного гена транскрибируются мРНК с разными открытыми рамками считывания и синтезируются белки, не имеющие сходства по аминокислотной последовательности.
Ключевые слова: эукариотический геном, экспрессия генов, процессинг РНК, альтернативные промоторы, субформы белков, регуляция транскрипции.
ALTERNATIVE PROMOTERS AND THE COMPLEXITY OF THE MAMMALIAN TRANSCRITO-ME, by E. V. Pankratova (Engelhardt Institute of Molecular Biology, Russian Academy of Sciences, Moscow, 119991 Russia; *e-mail: pank@eimb.ru). Recent studies suggest that about half of mammalian genes contain alternative promoters. This high frequency of alternative promoters implies a crucial role in expanding the expression diversity of the mammalian genome. In the present review we describe the consequences and significance of alternative promoter usage in the formation of structural and functional variety of protein isoforms in eucariotic cells. The role of alternative promoters in formation transcript variants with diverse transcription pattern and translation efficiency; in synthesis of protein isoforms with different N-termini; in synthesis different proteins encoded by alternative open reading frames; in synthesis of protein isoforms with different, sometimes opposite biological functions; in expression of some housekeeping genes; and also in formation of variety variable domains of adhesion molecules and receptors is discussed.
Key words: gene expression, alternative promoters, protein subforms.
Сложность организации и функционирования организма зависит не только от количества генов в его геноме, но в значительной степени и от регуля-торных систем, которые обеспечивают реализацию информации, закодированной в нуклеотидной последовательности ДНК. Эти регуляторные системы определяют, какое количество разнообразных белков и в какой период времени будет синтезироваться с ограниченного числа генов.
Включение в процесс регуляции экспрессии генов соматической рекомбинации ДНК, альтернативного сплайсинга, редактирования РНК, микроРНК, альтернативных промоторов, посттрансляционных модификаций сопровождается
усложнением регуляторных связей и функциональ-
*
Эл. почта: pank@eimb.ru
ных взаимодействий на клеточном и более высоких уровнях организации биологических систем и, по всей видимости, обеспечивает существование огромных морфологических и физиологических различий между такими относительно простыми организмами, как дрозофила (примерно 13000 генов в геноме), Caenorhabditis elegans (~18000 генов), и такими сложными организмами, как мышь или человек (примерно 20000-30000 генов в геноме) [1].
Анализ геномов высших эукариот позволяет предположить, что около половины генов млекопитающих транскрибируются с использованием альтернативных промоторов, которых в одном гене может быть два и более [2], а расстояние между ними может варьировать от нескольких сотен до сотен тысяч пар нуклеотидов. Видимо, альтернативные промоторы в той или иной степе-
а ТЕХ101
АТС
3 4 5 6
р73
АТС
■ АТС
2 3
4 5 6 ••• 14
д РСБИ
1 АТС 2 АТС 15АТС
р18 (ШК4с)
г- г-Атс
БИС (р56-р46 и р66) АТв |АТв
шн
3 4 5 6 ••• 13
е тК4а-А№
_ АТв АТв^
Рис. 1. Некоторые альтернативные промоторы в геноме человека. а, б - Транскрипция с альтернативных промоторов приводит к образованию идентичных субформ белка, так как участок инициации трансляции расположен в начале второго экзона. Транскрибируемые экзоны обозначены черными прямоугольниками. в, г, д - Синтез субформ белка с различными К-концевыми последовательностями. В том случае, если альтернативные промоторы находятся перед экзонами, имеющими альтернативные ДТО-кодоны, синтезируемые белки отличаются К-концевыми последовательностями, а использование промотора, расположенного в интроне, приводит к образованию белка с делетированным К-концом. е - Транскрипция с альтернативных промоторов приводит к образованию мРНК с разными открытыми рамками считывания (обозначены черными и белыми прямоугольниками), в результате чего синтезируются белки с разной аминокислотной последовательностью.
ни используются многими видами животных. Так, например, считается, что экспрессия около 3% генома С. elegans регулируется с помощью двухпро-моторной системы, второй промотор расположен при этом в интроне [3].
В настоящее время уже довольно подробно описаны разные варианты организации альтернативных промоторов и 5'-областей генов эукариот (рис. 1), а их классификация приведена в обзорах
[1, 4].
МЕХАНИЗМЫ ИЗБИРАТЕЛЬНОЙ АКТИВАЦИИ ИЛИ РЕПРЕССИИ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ПРОМОТОРОВ
В изучении генов, содержащих альтернативные промоторы, важное место отводится вопросу об избирательной активации или репрессии альтернативных промоторов. Если транскрипция гена регулируется несколькими промоторами, то в каждый определенный момент времени в клетке может работать только один из промоторов или одновременно два и более. Механизмы дифференциальной активации альтернативных промоторов описаны только в отдельных случаях.
Транскрипция некоторых генов человека с ди-стального промотора может ингибировать инициацию их транскрипции с проксимального промотора [5].
Метилирование ДНК в области альтернативных промоторов одного гена отличается в разных тканях, что играет важную роль в дифференциальном использовании промоторов и может быть обусловлено функциональными различиями между содержащими и несодержащими Срв-промоторами [6].
Ген БИС1 имеет два альтернативных промотора, с которых синтезируются три разных транскрипта, кодирующих субформы размером 46, 52 и 66 кДа [7]. мРНК субформ р46 и р52 транскрибируются с проксимального промотора и представлены во всех клетках. мРНК субформы р66 синтезируется с ди-стального промотора и только в некоторых типах клеток (рис. 1г). Дистальный и проксимальный промоторы удалены друг от друга на расстояние примерно 4 т.п.н. и имеют практически разные участки связывания факторов транскрипции. Эти два промотора значительно отличаются друг от друга картиной ацетилирования гистонов и метилирования остатков цитозина. Деацетилирование гистонов и метилирование цитозинов - это механизм, обеспечивающий поддержание дистального промотора гена БИС1 в неактивном, "молчащем" состоянии во многих типах клеток [8].
Примером существования "вездесущего" и тка-неспецифичного промоторов, одновременно активных в клетках лимфоидного ряда, служит ген фактора транскрипции ОсМ. Транскрипция гена оо1-1 контролируется двумя промоторами (ди-
шОсМа,Ь,с экзон 1и МАЭССАА80ЭЕ88ААААААА
1и 2 345 6 7 8 9 1011 12 1314 15 16 17 шОе11-а Щ............
тг
1и 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 15 16
Промотор 1и(вездесущий)
Ген ос^1 (Локус о(/-1)
шОсМЦИ экзон 1Ь
1И2 345 6 7 8 9 1011 12 13 15 16 17
шОей-Ь
17
50
I I
МЬЭС8ЭСУЬ
1Ь 2
1Ь2 3 4 5 6 7 89 1011 12 13 15 16 17 шОоЙ-Ь И............ П -
шОоЙ-Я
1Ь2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 15
■ им II I I I I II
к
Промотор 1Ь (тканеспецифический)
111 1 1 II лП* г 11
111 И 11 V IV III ли •■ II «и 1 I
РОи8рРОи„ I-II—I
3 45 6 7 8 9 10111213
14 15 16 17
III I им—им
60 70
90
100
110
120
130 т.п.н.
0
Рис. 2. Функциональная организация гена осХ-1 мыши: етема строения субформ мРНК и аминокислотные последовательности, кодируемые экзонами Ш и два альтернативных промотора, интрон-экзонная организация гена о<й-1.Схема строения промотора U и промотора L. В промоторе L римскими цифрами обозначены пять АТ-богатых кластеров, содержащих ТААТ-сайты (черточки), два ойа-сайта (черные кружки), ССААТ-сайты (белые треугольники), два octa-related-сайта (белые кружки) и ингибиторный участок (Ш^. В промоторе U показаны Sp1-сайты (черные кружки) и ССААТ-сайт. Старты транскрипции обозначены стрелками.
стальными Ь и проксимальными и), расстояние между которыми в геноме человека равно 108 т.п.н., а в геноме мыши примерно 67 т.п.н. [9, 10] (рис. 2). Каждая из этих промоторных областей находится перед альтернативными экзонами Ш и 1Ь. Промо-торные области, расположенные перед этими экзонами, имеют значительные различия. Промотор Ш обогащен остатками G и C, содержит множественные канонические Sp1-сайты и не имеет сайтов для ауторегуляции, тогда как промотор 1Ь обогащен А и Т, не имеет ТАТА-бокса, но содержит два канонических ой-сайта ATTTGCAT. С этими сайтами взаимодействует белок Oct-1, который регулирует активность промотора по принципу отрицательной обратной связи. Таким образом, ген ос^1 содержит два промотора, один из которых вездесущий (Ш), а другой - тканеспецифический (1Ь) и ауторегулируе-мый. Однако тканевая специфичность промотора 1Ь, по-видимому, в значительной степени определяется тканеспецифичным энхансером, а не только строением самого промотора [11-15].
Альтернативные промоторы активируют экспрессию гена Adar1 в тканях взрослых мышей. Один из этих промоторов индуцибельный и чувствительный к интерферону (перед экзоном А, с него синтезируется субформа р150). При инфекциях под действием интерферона в клетках значительно увеличивается синтез субформы р150 Adar1 [16].
Говоря о механизмах избирательной активации или репрессии альтернативных промоторов, очень
важно учитывать, что один и тот же промотор п
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.