"Lobby", kus molekulide jõuk ütleb geenidele, mida teha | Quanta ajakiri

2000. aastate alguses inimgenoomi projekti käigus avastatud, et meil, inimestel, on ainult umbes 20,000 XNUMX valku kodeerivat geeni – umbes sama palju kui tillukesel mullas elaval nematoodiussil ja vähem kui poole vähem kui riisitaimel –, oli šokk. . Seda lööki meie uhkusele pehmendas aga idee, et inimese genoom on rikas regulatiivsete seoste poolest. Meie geenid interakteeruvad tihedas võrgus, milles DNA tükid ja nende poolt kodeeritavad molekulid (RNA ja valgud) kontrollivad teiste geenide "ekspressiooni", mõjutades seda, kas nad toodavad vastavat RNA-d ja valke. Inimese genoomi mõistmiseks pidime mõistma seda geeniregulatsiooni protsessi.

See ülesanne on aga osutunud palju raskemaks kui genoomi järjestuse dekodeerimine.

Esialgu kahtlustati, et geeniregulatsioon seisnes lihtsalt selles, et üks geeniprodukt toimis digitaalsel viisil teise geeni sisse- ja väljalülitajana. 1960. aastatel selgitasid esimest korda prantsuse bioloogid François Jacob ja Jacques Monod geeniregulatsiooni protsess mehaaniliselt üksikasjalikult: sisse Escherichia coli Kui repressorvalk seondub teatud DNA segmendiga, blokeerib see külgneva geenikomplekti transkriptsiooni ja translatsiooni, mis kodeerivad ensüüme suhkru laktoosi seedimiseks. See reguleerimisahel, mille Monod ja Jacob nimetasid lakk operonil on puhas ja läbipaistev loogika.

Kuid geeniregulatsioon keerulistes metaloomades – loomadega nagu inimesed, keeruliste eukarüootsete rakkudega – ei näi üldiselt nii toimivat. Selle asemel hõlmab see molekulide rühma, sealhulgas valke, RNA-sid ja DNA tükke kogu kromosoomist, mis mingil moel teevad koostööd geeni ekspressiooni kontrollimiseks.

Asi pole mitte ainult selles, et sellel eukarüootide regulatsiooniprotsessil on rohkem osalejaid kui tavaliselt bakterites ja muudes lihtsates prokarüootsetes rakkudes; tundub, et see on kategooriliselt erinev protsess ja udusem.

Stanfordi ülikooli meeskond, mida juhivad biofüüsik ja bioinsener Polly Fordyce, näib nüüd olevat avastanud selle geeniregulatsiooni häguse režiimi komponendi. Nende töö, avaldati eelmise aasta septembris aastal teadus, viitab sellele, et geeni lähedal asuv DNA toimib omamoodi madala kaevuna erinevate regulatoorsete molekulide püüdmiseks, hoides need tegevuseks valmis, et nad saaksid vajadusel oma hääle lisada otsusele, kas geen aktiveerida.

Need reguleerivad süvendid on valmistatud DNA kahtlastest tükikestest. Need koosnevad järjestustest, milles lühike ühe kuni kuue aluspaari pikkune DNA osa kordub mitu korda. Nendes jadades saab kokku panna kümneid koopiaid nendest "lühikesest tandemkordamisest" (STR) nagu üks ja sama väike "sõna", mis kirjutatakse ikka ja jälle.

STR-sid on inimese genoomis rohkesti: need moodustavad umbes 5% kogu meie DNA-st. Kunagi peeti neid "rämps-DNA" klassikalisteks näideteks, sest korduv DNA "tekst", mis koosneb ainult STR-idest, ei mahuta peaaegu nii palju tähenduslikku teavet kui näiteks ebaregulaarne tähejada, mis selles lauses moodustab. artiklit.

Ja siiski, STR-d ei ole ilmselgelt tähtsusetud: neid on seostatud selliste vaevustega nagu Huntingtoni tõbi, spinobulbaarne lihasatroofia, Crohni tõbi ja mõned vähivormid. Viimase paarikümne aasta jooksul on kogunenud tõendeid selle kohta, et need võivad kuidagi geeniregulatsiooni tugevdada või pärssida. Mõistatus seisnes selles, kuidas nad võisid nii vähese teabesisuga nii võimsad olla.

Komplekssed juhtelemendid keerukate rakkude jaoks

Et mõista, kuidas STR-id geeniregulatsiooni üldpilti sobivad, astume sammu tagasi. Geenidega külgnevad tavapäraselt DNA tükid, mis ei kodeeri RNA-d ega valku, kuid millel on reguleerivad funktsioonid. Bakteriaalsetel geenidel on "promootori" piirkonnad, kus polümeraasi ensüümid saavad seonduda, et alustada külgneva DNA transkriptsiooni RNA-ks. Neil on tavaliselt ka "operaatori" piirkonnad, kus repressorvalgud võivad seonduda, et blokeerida transkriptsiooni, lülitades geeni välja, nagu lakk operon.

Inimestel ja teistel eukarüootidel võivad regulatoorsed järjestused olla arvukamad, mitmekesisemad ja segadusse ajavamad. Piirkonnad, mida nimetatakse võimendajateks, mõjutavad näiteks geeni transkribeerimise tõenäosust. Tugevdajad on sageli sihtmärgiks valkudele, mida nimetatakse transkriptsioonifaktoriteks ja mis võivad seonduda geeniekspressiooni võimendamiseks või pärssimiseks. Kummalisel kombel asuvad mõned võimendajad nende reguleeritavatest geenidest kümnete tuhandete aluspaaride kaugusel ja tuuakse neile lähedale ainult pakitud kromosoomi DNA silmuste füüsilise ümberkorraldamise kaudu.

Eukarüootsete geenide regulatsioon hõlmab tavaliselt neid paljusid erinevaid DNA reguleerivaid plokke koos ühe või mitme transkriptsioonifaktori ja muude molekulidega, mis kõik kogunevad geeni ümber nagu komitee, mis on kokku kutsutud otsustama, mida see peaks tegema. Nad kogunevad lahtisesse tihedasse kobarasse.

Sageli ei näi ka molekulaarsed osalejad omavahel suhtlevat molekulaarbioloogias levinud väga selektiivsete luku ja võtme paaride kaudu. Nad on hoopis vähem valivad, suhtlevad üsna nõrgalt ja valimatult, justkui rändaksid ringi ja alustaksid omavahel lühikesi vestlusi.

Tegelikult on see, kuidas transkriptsioonifaktorid eukarüootides DNA-ga seonduvad, olnud mõistatus. Pikka aega eeldati, et mingi osa transkriptsioonifaktorist peab täpselt ühtima DNA siduva "motiivi" järjestusega, nagu pusle tükid. Kuid kuigi mõned sellised motiivid on tuvastatud, ei ole nende olemasolu alati väga hästi korrelatsioonis sellega, kus teadlased leiavad rakkudes DNA-le kleepuvaid transkriptsioonifaktoreid. Mõnikord püsivad transkriptsioonifaktorid piirkondades, kus puuduvad igasugused motiivid, samas kui mõned motiivid, mis näivad justkui peaksid transkriptsioonifaktoreid tugevalt siduma, jäävad tühjaks.

"Traditsiooniliselt genoomikas on eesmärgiks olnud genoomsete saitide klassifitseerimine [binaarsel] viisil transkriptsioonifaktorite abil "seotud" või "seotud" alla, ütles Fordyce. "Kuid pilt on palju nüansirikkam." Nende geenide reguleerimise "komiteede" üksikud liikmed ei paista alati oma koosolekutel viibivat või neilt puuduvat, vaid neil on erinev tõenäosus, kas nad on kohal või mitte.

Eukarüootide geeniregulatsiooni kalduvus tugineda nii paljudele erinevatele nõrkadele vastastikmõjudele suurte molekulaarsete komplekside vahel "on üks asi, mis muudab kurikuulsalt keeruliseks teoreetilise käsitsemise", ütles biofüüsik. Thomas Kuhlman California ülikoolist Riverside'is, kes kirjutas kommentaar Fordyce'i labori paberil teadus. See on sügav mõistatus, kuidas sellest näiliselt kaootilisest protsessist sünnivad täpsed otsused geenide sisse- ja väljalülitamise kohta.

Lisaks selle otsustusprotsessi salapärasele ähmasele loogikale on ka küsimus, kuidas kõik komisjoni liikmed üldse leiavad tee õigesse ruumi ja jäävad siis sinna. Molekulid liiguvad rakus üldiselt difusiooni teel, mida ümbritsevad kõik teised ümbritsevad molekulid, näiteks vesi, ja ekslevad juhuslikes suundades. Võime eeldada, et need lahtised komisjonid eralduvad liiga kiiresti, et oma regulatiivset tööd teha.

Fordyce ja tema kolleegid arvavad, et see on koht, kus STR-d tulevad sisse. STR-id on DNA võimendaja saitides hämmastavalt levinud. Uurijad väidavad oma artiklis, et STR-d toimivad kleepuvate plaastritena, mis kutsuvad kokku transkriptsioonifaktorid ja takistavad nende eksimist.

Kleepuvuse peenhäälestus

Fordyce'i rühm uuris süstemaatiliselt, kuidas STR-järjestuse erinevused mõjutavad transkriptsioonifaktorite kleepumist sidumismotiiviga. Nad vaatlesid kahte tegurit - üks pärmist, teine ​​inimestelt -, mis kleepuvad konkreetse kuue aluse motiivi juurde. Teadlased mõõtsid nii selle seondumise tugevust (või afiinsust) kui ka kiirust, millega transkriptsioonifaktorid kinni jäävad ja lahti jäävad (kineetika), kui motiivi külgneb juhusliku järjestuse asemel STR. Võrdluseks uurisid nad, kui kergesti seostuvad tegurid ainult STR-ga ja täiesti juhusliku DNA järjestusega.

"Üks selle valdkonna suurimaid väljakutseid on lahutada lugematu arv muutujaid, mis mõjutavad [transkriptsioonifaktori] seondumist genoomi konkreetses positsioonis," ütles ta. David Suter, Šveitsi Föderaalse Tehnoloogiainstituudi Lausanne'i molekulaarbioloog Šveitsis. DNA kuju, lähedus teistele DNA segmentidele ja füüsiline pinge DNA molekulides võivad kõik mängida rolli transkriptsioonifaktori sidumisel. Nende parameetrite väärtused erinevad tõenäoliselt genoomi igas positsioonis ja võib-olla ka rakutüüpide lõikes ja ühes rakus aja jooksul antud positsioonis. "See on tohutu tundmatute muutujate ruum, mida on väga raske kvantifitseerida, " ütles Suter.

Seetõttu on hästi kontrollitud katsed, nagu Stanfordi meeskonna katsed, nii kasulikud, lisas Kuhlman. Tavaliselt, kui teadlastel on vaja selliseid nõrku interaktsioone mõõta, on neil kaks valikut: nad saavad teha mõned väga üksikasjalikud ja äärmiselt täpsed mõõtmised ja nende põhjal üldistada või teha palju kiireid ja määrdunud mõõtmisi ja kasutada matemaatiliselt keerulisi. statistilised meetodid tulemuste tuletamiseks. Kuid Fordyce ja tema kolleegid kasutasid Kuhlmani sõnul automatiseeritud, mikrofluidilisel kiibil põhinevat protseduuri, et teha täpseid mõõtmisi suure läbilaskevõimega katsete ajal, "et saada mõlemast maailmast parim".

Stanfordi töörühm leidis, et erinevad STR-järjestused võivad muuta transkriptsioonifaktorite seondumisafiinsust DNA-ga kuni 70 korda; mõnikord on neil transkriptsioonifaktori sidumisele suurem mõju kui sidumismotiivi enda järjestuse muutmine. Ja nende kahe erineva transkriptsioonifaktori mõjud olid erinevad.

Seega näib, et STR-d suudavad täpselt häälestada transkriptsioonifaktorite võimet DNA saidile dokkida ja seega geeni reguleerida. Aga kuidas täpselt?

Ooteruum geeni lähedal

Teadlased leidsid, et DNA-d siduva transkriptsioonifaktori osa võib STR-ga nõrgalt suhelda, kusjuures selle afiinsuse täpne tugevus sõltub STR-järjestusest. Kuna selline sidumine on nõrk, pole sellel palju spetsiifilisust. Kuid kui transkriptsioonifaktorist haaratakse lõdvalt kinni ja STR ikka ja jälle vabastab, on kumulatiivne efekt hoida transkriptsioonifaktorit geeni läheduses, nii et see seostub vajaduse korral kindlamalt motiivipiirkonnaga.

Fordyce ja tema kolleegid ennustasid, et STR-d toimivad seega "fuajeena" või kaevuna, kus transkriptsioonifaktorid võivad regulatiivse sidumiskoha lähedale koguneda, kuigi mööduvalt. "STR-i korduv olemus võimendab iga üksiku sidumissaidi nõrka mõju, millest see koosneb, " ütles. Connor Horton, uuringu esimene autor, kes on nüüd California Berkeley ülikooli doktorant.

Vastupidi, lisas ta, et mõned STR-d võivad samuti toimida transkriptsioonifaktorite eemaldamiseks regulatiivsetest järjestustest, imades transkriptsioonifaktoreid mujalt nagu käsn. Sel viisil võivad nad geeniekspressiooni pärssida.

Suter ütles, et töö "näitab veenvalt, et STR-d mõjutavad otseselt transkriptsioonifaktorite seondumist in vitro." Veelgi enam, Stanfordi meeskond kasutas masinõppe algoritmi, et näidata, et nende in vitro katsetes nähtud mõjud näivad esinevat ka elusrakkudes (st in vivo).

Kuid Robert Tjian, Berkeley biokeemik ja Howard Hughesi meditsiiniinstituudi uurija, arvab, et võib olla liiga vara olla kindel, milline on antud STR-transkriptsioonifaktori kombinatsiooni mõju geeniekspressioonile reaalsetes rakkudes.

Tjian, Xavier Darzacq ja nende kolleegid laboris, mida nad Berkeleys koos juhivad, nõustuvad, et STR-id näivad pakkuvat viisi transkriptsioonifaktorite kontsentreerimiseks geenide reguleerimiskohtade lähedale. Kuid teadmata, kui lähedal peavad tegurid olema transkriptsiooni aktiveerimiseks, on raske mõista selle tulemuse funktsionaalset tähtsust. Tjian ütles, et soovib näha, kas STR-i viimine elusrakku mõjutab prognoositavalt sihtgeeni ekspressiooni. Praegu ütles ta, et ta "ei ole veendunud, et STR-d on tingimata [regulatiivsete] mehhanismide peamine aspekt in vivo."

Kombinatoorne grammatika

Üks pikaajaline mõistatus on see, kuidas selline mehhanism tagab usaldusväärselt rakkude jaoks vajaliku täpse geeniregulatsiooni, kuna nii transkriptsioonifaktori sidumise tugevus kui ka selektiivsus STR süvendites on nõrgad. Fordyce arvab, et selline mõju spetsiifilisus võib tuleneda paljudest allikatest - mitte ainult STR-järjestuste erinevustest, vaid ka transkriptsioonifaktorite ja muude regulatsiooniga seotud valkude vahelisest koostööst.

Arvestades kõike seda, ütles Horton, ei ole selge, kas antud STR-transkriptsioonifaktori kombinatsiooni mõju geeni ekspressioonile on lihtne ennustada. Protsessi loogika on tõepoolest hägune. Ja mõju "grammatika" on ilmselt kombinatoorne, lisas Horton: tulemus sõltub transkriptsioonifaktorite ja muude molekulide erinevatest kombinatsioonidest.

Stanfordi meeskond arvab, et võib-olla on 90% transkriptsioonifaktoritest tundlikud STR-de suhtes, kuid inimese genoomis on palju rohkem transkriptsioonifaktoreid kui STR-e. "STR-järjestuse muteerimine võib mõjutada 20 erineva transkriptsioonifaktori seondumist selles rakutüübis, mis viib selle lähedalasuva geeni transkriptsiooni üldise vähenemiseni, ilma et see mõjutaks spetsiifilist transkriptsioonifaktorit," ütles Horton.

Seega nõustub Stanfordi meeskond Tjianiga, et geeniregulatsiooni elusrakkudes ei juhi üks lihtne mehhanism. Pigem võivad transkriptsioonifaktorid, nende DNA sidumissaidid ja muud reguleerivad molekulid koguneda tihedateks kogumikeks, mis avaldavad oma mõju kollektiivselt.

"Nüüd on mitmeid näiteid, mis toetavad ideed, et DNA elemendid võivad transkriptsioonifaktoreid tõrjuda nii palju, et need moodustavad kofaktoritega kondensaate," ütles ta. Richard Young, Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi Whiteheadi Instituudi rakubioloog. Tugevdajad seovad selle tõrjumise tekitamiseks paljusid transkriptsioonifaktoreid. STR-id võivad olla koostisosad, mis aitavad koguda transkriptsioonifaktoreid geeni lähedale, kuid need ei ole kogu lugu.

Miks reguleerida geene sel keerulisel viisil, selle asemel, et tugineda prokarüootides domineerivate regulatoorsete valkude ja DNA saitide vahelisele tugevale ja spetsiifilisele interaktsioonile? Võimalik, et selline hägusus tegi suured keerulised metazoaanid üldse võimalikuks.

Et olla elujõulised liigid, peavad organismid olema võimelised arenema ja muutuvate oludega kohanema. Kui meie rakud tugineksid mingile tohutule, kuid rangelt ette nähtud geeniregulatiivsete interaktsioonide võrgustikule, oleks selles keeruline muudatusi teha ilma kogu vahendit häirimata, täpselt nagu Šveitsi käekell haarab kinni, kui eemaldame (või isegi pisut nihutame) selle lugematutest hammasratastest. Kui regulatiivsed molekulaarsed interaktsioonid on lõdvad ja üsna ebaspetsiifilised, on süsteemis siiski kasulik lõtk - nagu ka komitee võib üldiselt teha hea otsuse isegi siis, kui üks selle liikmetest on haige.

Fordyce märgib, et prokarüootides, nagu bakterid, võib transkriptsioonifaktoritel olla suhteliselt lihtne oma seondumiskohti leida, kuna otsitav genoom on väiksem. Kuid see muutub raskemaks, kui genoom muutub suuremaks. Eukarüootide suurtes genoomides "ei talu te enam ohtu, et jääte ajutiselt "valesse" sidumiskohta kinni, " ütles Fordyce, kuna see kahjustaks võimet kiiresti reageerida muutuvatele keskkonnatingimustele.

Lisaks on STR-d ise väga arenevad. Nende järjestuse pikenemine või lühenemine või "transkriptsioonifaktori süvendi" suuruse ja sügavuse muutumine võib kergesti toimuda DNA replikatsiooni või parandamise tõrgete või kromosoomide seksuaalse rekombinatsiooni kaudu. Fordyce'ile viitab see sellele, et STR-id "võivad seetõttu olla tooraineks uute regulatiivsete elementide väljatöötamiseks ja olemasolevate tundlike transkriptsiooniprogrammide reguleerivate moodulite viimistlemiseks", näiteks need, mis reguleerivad loomade ja taimede arengut.

Nõrkade interaktsioonide jõud

Sellised kaalutlused panevad molekulaarbioloogid palju rohkem tähelepanu pöörama nõrkadele ja suhteliselt ebaselektiivsetele koostoimetele genoomis. Paljud neist hõlmavad valke, mis selle asemel, et neil oleks fikseeritud ja täpne struktuur, on lahtised ja nõrgad – "sisemiselt korrastamata", nagu biokeemikud ütlevad. Young selgitas, et kui valgud töötaksid ainult jäikade struktuursete domeenide kaudu, ei piiraks see mitte ainult seda, kui hästi regulatsioonisüsteemid saaksid areneda, vaid ka elus nähtud dünaamilise regulatsiooni liike. "Te ei leia elusorganismi või isegi viirust, mis toimiks ainult stabiilsete struktuurielementidega, nagu Šveitsi kellas," ütles Young.

Võib-olla komistas evolutsioon lihtsalt STR-ide peale kui sellise keerulise, kuid lõppkokkuvõttes tõhusama lahenduse eukarüootide geeniregulatsiooni komponendile. STR-id ise võivad tekkida mitmel viisil – näiteks vigade tõttu DNA replikatsioonis või DNA segmentide, mida nimetatakse ülekantavateks elementideks, aktiivsuse tõttu, mis teevad endast koopiaid kogu genoomis.

"Juhtus nii, et tekkiv nõrk interaktsioon valkude ja korduvate järjestuste vahel oli midagi, mis võis … pakkuda rakkudele selektiivset eelist, kus see toimus, " ütles Kuhlman. Tema oletus on, et see hägusus oli tõenäoliselt eukarüootidele peale surutud, kuid "nad said seda hiljem enda kasuks ära kasutada". Bakterid ja teised prokarüootid võivad tugineda täpselt määratletud "digitaalsele" regulatiivsele loogikale, kuna nende rakud kipuvad eksisteerima vaid mõnes lihtsas, erinevas olekus, nagu näiteks ringi liikumine ja paljunemine.

Kuid metazoaanide erinevad rakuseisundid on "palju keerukamad ja mõnikord lähedased kontiinumile", ütles Suter, nii et neid teenindab paremini ähmasem "analoogne" regulatsioon.

"Bakterite ja eukarüootide geeniregulatsioonisüsteemid näivad olevat üsna oluliselt lahknenud," nõustus Tjian. Kuigi Monod olevat kunagi märkinud, et "mis on tõsi E. coli kehtib elevandi kohta,” näib, et see pole alati nii.