МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2015, том 49, № 2, с. 212-223
= ОБЗОРЫ
УДК 576.315.42
РЕГУЛЯТОРНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЭУКАРИОТИЧЕСКОГО ГЕНОМА, КОНТРОЛИРУЮЩИЕ ТРАНСКРИПЦИЮ
© 2015 г. С. В. Разин1,2*, А. А. Гаврилов3, С. В. Ульянов12
Лаборатория структурно-функциональной организации хромосом, Институт биологии гена Российской академии наук, Москва 119334 2Кафедра молекулярной биологии, Биологический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Москва 119992 3Группа пространственной организации генома, Институт биологии гена Российской академии наук, Москва 119334
Поступила в редакцию и принята к печати 24.09. 2014 г.
В обзоре рассмотрены регуляторные элементы эукариотического генома, контролирующие транскрипцию, функциональная анатомия тканеспецифичных промоторов и промоторов генов "домашнего хозяйства", современные методы предсказания и обнаружения энхансеров, роль инсуляторов в энхансер-про-моторной коммуникации и поддержании эпигенетического статуса геномного домена. Кратко обсуждается взаимосвязь топологии интерфазного хроматина и регуляции транскрипции. Особое внимание уделено новым данным, полученным в результате массивного секвенирования первичных транскриптов и полногеномного анализа профилей распределения модифицированных гистонов.
Ключевые слова: транскрипция, хроматин, пространственная организация генома, промотор, энхансер, сайленсер, инсулятор.
REGULATORY ELEMENTS OF THE EUKARYOTIC GENOME CONTROLLING TRANSCRIPTION, by S. V. Razin1,2*, A. A. Gavrilov3, S. V. Ulyanov1,2 ^Laboratory of Structural and Functional Organization of Chromosomes, Institute of Gene Biology, Russian Academy of Sciences, Moscow, 119334 Russia, *e-mail: sergey.v.razin@usa.net; 2Department of Molecular Biology, Faculty of Biology, Moscow State University, Moscow, 119991 Russia; 3Group of Genome Spatial Organization, Institute of Gene Biology, Russian Academy of Sciences, Moscow, 119334 Russia). In this review, we discuss regulatory elements of the eukaryotic genome that control transcription. We describe the functional anatomy of tissue specific promoters and promoters of house-keeping genes; current methodologies for prediction and identification of enhancers; the role of insulators in the enhancer-promoter communication and maintenance of the epigenetic status of genomic domains; and briefly discuss the relationship between the interphase chromatin topology and regulation of transcription. Considering these questions, we pay particular attention to the new data obtained in works on the high-throughput sequencing of primary transcripts and the genome-wide analysis of histone modifications.
Keywords: transcription, chromatin, genome spatial organization, promoter, enhancer, silencer, insulator. DOI: 10.7868/S0026898415020123
ВВЕДЕНИЕ
Механизмы регуляции транскрипции в эука-риотической клетке изучаются в течение нескольких десятилетий. Результатом этих исследований стала идентификация значительного числа различных регуляторных элементов, которые тем
или иным образом влияют на процесс транскрипции. Эти регуляторные элементы можно разделить на несколько групп. Первую группу составляют промоторы, которые располагаются непосредственно перед геном и служат местом сборки преинициаторного транскрипционного комплекса. Вторая группа представлена удаленными регу-
Принятые сокращения: BREd (downstream TFIIB recognition element) — находящийся после TATA-бокса участок связывания TFIIB; BREu (upstream TFIIB recognition element) — находящийся перед TATA-боксом участок связывания TFIIB; DPE (downstream promoter element) — нижележащий элемент промотора; DRE (DNA replication-related element) — элемент, связанный с репликацией ДНК; Inr (Initiator) — участок, в котором начинается транскрипция; LCR (Locus Control Region) — область контроля локуса; PRE (Polycomb response element) — элемент "ответа" на белки Polycomb; TBP (TATA-Binding Protein) — белок, связывающийся с ТАТА-боксом.
* Эл. почта: sergey.v.razin@usa.net
ляторными элементами, которые могут как активировать (энхансеры), так и подавлять (сайленсе-ры) транскрипцию. Наконец, существуют так называемые архитектурные элементы, которые поддерживают взаимодействия между удаленными участками генома, способствуя, как считается, созданию относительно стабильных хроматино-вых петель. Наиболее известными архитектурными элементами являются инсуляторы, которые в зависимости от ряда дополнительных условий могут либо разделять функциональные домены генома, либо способствовать установлению коммуникаций между удаленными энхансерами и контролируемыми ими промоторами. Следует сказать, что контроль транскрипции у эукариот осуществляется как на уровне промоторов индивидуальных генов, так и на уровне хроматинового домена, который может быть активным либо репрессированным. В обоих случаях существенную роль играют модификации гистонов. Широкое использование полногеномных методов анализа, ставшее возможным благодаря развитию техники секвенирования нового поколения, позволило глубже понять механизмы контроля транскрипции и особенности различных регуляторных элементов. В настоящем обзоре мы проанализируем современные представления о разных типах регу-ляторных элементов эукариотического генома, сфокусировав особое внимание на их свойствах, выявленных с использованием полногеномных методов анализа. Предметом нашего обсуждения будут только регуляторные элементы, контролирующие работу генов, транскрибируемых РНК-по-лимеразой II. При этом мы не будем касаться систем регуляции экспрессии генов, работающих при участии некодирующих РНК. Тема эта представляется столь обширной, что рассмотрение ее должно быть предметом отдельного обсуждения. В русскоязычной литературе недавно опубликован ряд хороших обзоров по данной проблеме [1—3].
ПРОМОТОРЫ
Промоторы являются предпочтительными местами посадки РНК-полимеразы II на ДНК. Канонические промоторы включают так называемый ТАТА-бокс, в качестве которого может выступать почти любая АТ-богатая последовательность, и ряд других элементов, характеризующихся присутствием определенных мотивов нуклеотидной последовательности, в том числе BREu (upstream TFIIB recognition element, находящийся перед TATA-боксом участок связывания TFIIB), BREd (downstream TFIIB recognition element, находящийся после TATA-бокса участок связывания TFIIB), Inr (Initiator, участок, в котором начинается транскрипция), DPE (downstream promoter element, нижележащий элемент промотора), DRE (DNA replication-related element, связанный с ре-
пликацией ДНК элемент) [4, 5]. С ТАТА-боксом связывается TBP (TATA-Binding Protein, связывающийся с ТАТА-боксом белок), вокруг которого собираются все остальные компоненты преини-циаторного комплекса РНК-полимеразы II [4, 6]. Плавление ДНК и формирование открытого комплекса РНК-полимеразы II происходит на некотором расстоянии от промотора в Inr (Initiator) элементе. Значительное число эукариотических промоторов не имеет выраженного ТАТА-бокса. Для привлечения ТВР к таким промоторам требуются дополнительные факторы транскрипции, наиболее известный из которых — универсальный фактор SP1 — связывается с GC-богатыми участками ДНК [4]. Не содержащие TATA-бокса промоторы обычно располагаются в CpG-островках, которые представляют собой относительно короткие (500—1000 т.п.н.) GC-богатые последовательности с соотношением CpG- и GpC-динук-леотидов близким к единице. В остальной части генома у организмов, имеющих CpG-метилиро-вание, соотношение CpG/GpC составляет ~0.2. Это связано с тем, что 5-метилцитозин отличается низкой стабильностью и сравнительно легко превращается в тимин. Расположенные в CpG-островках промоторы контролируют, как правило, работу генов "домашнего хозяйства", которые экспрессируются во всех типах клеток [7]. Для промоторов, ассоциированных с CpG-островка-ми, характерно присутствие ряда близко расположенных альтернативных точек старта транскрипции [8, 9]. Это связано с присутствием в них свободного от нуклеосомы участка. В промоторах тканеспецифичных генов, расположенных вне CpG-островков, такого участка, как правило, нет. Вместо этого промоторы содержат слабо связанную (легко удаляемую) нуклеосому, которая вытесняется в момент сборки преинициаторного комплекса РНК-полимеразы [10, 11]. Промоторы, не ассоциированные с CpG-островками, характеризуются жестко детерминированным стартом транскрипции [8, 9]. По-видимому, позиция старта транскрипции задается в этом случае расположением TATA-бокса и Inr-элемента [12]. В последние годы стало очевидным, что разделение на два класса (ассоциированные и неассоцииро-ванные с CpG-островками) не в полной мере отражает все многообразие промоторов. Было предложено классифицировать промоторы по наличию фиксированного, либо ряда альтернативных стартов транскрипции, а также на основании комбинаторики присутствующих функциональных элементов (TATA-бокс, Inr-элемент, DRE и другие). Этот подход позволил идентифицировать три класса промоторов, направляющих транскрипцию тканеспецифичных генов, генов домашнего хозяйства и генов, экспрессия которых регулируется по ходу развития [13]. Первая группа фактически идентична хорошо известным
промоторам, локализованным вне CpG-остров-ков. В состав этих промоторов входят выраженные TATA-бокс и Inr-элемент. Для второй группы характерно присутствие DRE. Промоторы третьей группы содержат Inr-элемент при отсутствии TATA-бокса. В этих промоторах также могут присутствовать DPE. Каждая из перечисленных групп внутренне гетерогенна. Используя другие комбинации параметров, можно различить 10 классов промоторов [14].
В геномах человека и млекопитающих животных достаточно много близко расположенных генов, транскрипция которых контролируется двунаправленными промоторами [15—18]. По приблизительным оценкам ~10% генов человека организовано в пары и транскрибируется с двунаправленных промоторов [17]. Такие промоторы обычно ассоциированы с CpG-островками [16]. Остальные 90% промоторов традиционно считали однонаправленными. Однако выполненные в последние годы работы по массированному се-квенированию первич
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.