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16.3B: Transkriptionelle Enhancer und Repressoren – Biologie

16.3B: Transkriptionelle Enhancer und Repressoren – Biologie


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Enhancer erhöhen die Transkriptionsrate von Genen, während Repressoren die Transkriptionsrate verringern.

Lernziele

  • Erklären Sie, wie Enhancer und Repressoren die Genexpression regulieren

Wichtige Punkte

  • Enhancer können stromaufwärts eines Gens, innerhalb der kodierenden Region des Gens, stromabwärts eines Gens oder Tausende von Nukleotiden entfernt liegen.
  • Wenn ein DNA-beugendes Protein an den Enhancer bindet, ändert sich die Form der DNA, wodurch Wechselwirkungen zwischen den Aktivatoren und Transkriptionsfaktoren auftreten können.
  • Repressoren reagieren auf externe Reize, um die Bindung von aktivierenden Transkriptionsfaktoren zu verhindern.
  • Corepressoren können die Transkriptionsinitiation durch Rekrutierung von Histon-Deacetylase unterdrücken.
  • Die Histon-Deaktylierung erhöht die positive Ladung der Histone, was die Interaktion zwischen den Histonen und der DNA verstärkt, wodurch die DNA für die Transkription weniger zugänglich wird.

Schlüsselbegriffe

  • Verstärker: eine kurze DNA-Region, die die Transkription von Genen erhöhen kann
  • Unterdrücker: jedes Protein, das an DNA bindet und somit die Expression von Genen reguliert, indem es die Transkriptionsrate verringert
  • Aktivator: jede Chemikalie oder jeder Wirkstoff, der ein oder mehrere Gene durch Erhöhung der Transkriptionsrate reguliert

Enhancer und Transkription

In einigen eukaryotischen Genen gibt es Regionen, die helfen, die Transkription zu erhöhen oder zu verbessern. Diese Regionen, die als Enhancer bezeichnet werden, befinden sich nicht unbedingt in der Nähe der Gene, die sie verstärken. Sie können stromaufwärts eines Gens, innerhalb der kodierenden Region des Gens, stromabwärts eines Gens oder Tausende von Nukleotiden entfernt liegen.

Enhancer-Regionen sind Bindungssequenzen oder Stellen für Transkriptionsfaktoren. Wenn ein DNA-beugendes Protein an einen Enhancer bindet, ändert sich die Form der DNA. Diese Formänderung ermöglicht die Interaktion zwischen den an die Enhancer gebundenen Aktivatoren und den an die Promotorregion gebundenen Transkriptionsfaktoren und der RNA-Polymerase. Während DNA im Allgemeinen als gerade Linie in zwei Dimensionen dargestellt wird, ist sie eigentlich ein dreidimensionales Objekt. Daher kann eine Nukleotidsequenz, die Tausende von Nukleotiden entfernt ist, sich umfalten und mit einem spezifischen Promotor interagieren.

Gene ausschalten: Transkriptionelle Repressoren

Wie prokaryontische Zellen verfügen auch eukaryontische Zellen über Mechanismen, um die Transkription zu verhindern. Transkriptionelle Repressoren können an Promotor- oder Enhancer-Regionen binden und die Transkription blockieren. Wie die Transkriptionsaktivatoren reagieren Repressoren auf externe Stimuli, um die Bindung von aktivierenden Transkriptionsfaktoren zu verhindern.

Ein Corepressor ist ein Protein, das die Genexpression verringert, indem es an einen Transkriptionsfaktor bindet, der eine DNA-bindende Domäne enthält. Der Corepressor ist nicht in der Lage, DNA selbst zu binden. Der Corepressor kann die Transkriptionsinitiation unterdrücken, indem er Histon-Deacetylase rekrutiert, die die Entfernung von Acetylgruppen von Lysinresten katalysiert. Dies erhöht die positive Ladung der Histone, was die Wechselwirkung zwischen den Histonen und der DNA verstärkt und die DNA für den Transkriptionsprozess weniger zugänglich macht.


16.3B: Transkriptionelle Enhancer und Repressoren – Biologie

Wie die Transkription wird die Translation durch Proteine ​​gesteuert, die binden und den Prozess initiieren. Bei der Translation muss die Ribosomenanordnung abgeschlossen sein, bevor die Proteinsynthese beginnen kann. Dies ist ein mehrstufiger Prozess.

Bei der Ribosomenanordnung werden die große und die kleine ribosomale Untereinheit und eine Initiator-tRNA (tRNAich), die die erste Aminosäure der endgültigen Polypeptidkette enthält, kommen alle am Translationsstartcodon auf einer mRNA zusammen, um den Beginn der Translation zu ermöglichen. Zuerst bindet die kleine ribosomale Untereinheit an die tRNAich welches Methionin in Eukaryoten und Archaeen trägt und N-Formyl-Methionin in Bakterien trägt. (Weil die tRNAich eine Aminosäure trägt, heißt sie geladen.) Als nächstes wird die kleine ribosomale Untereinheit mit der geladenen tRNAich noch gebunden scannt entlang des mRNA-Strangs, bis er das Startcodon AUG erreicht, das anzeigt, wo die Translation beginnt. Das Startcodon bildet auch den Leserahmen für den mRNA-Strang, der entscheidend für die Synthese der richtigen Aminosäuresequenz ist. Eine Verschiebung des Leserahmens führt zu einer Fehltranslation der mRNA. Das Anticodon auf der tRNAich bindet dann über Basenpaarung an das Startcodon. Der Komplex aus mRNA, geladener tRNAich, und die kleine ribosomale Untereinheit heftet sich an die große ribosomale Untereinheit, die den Zusammenbau der Ribosomen vervollständigt. Diese Komponenten werden mit Hilfe von Proteinen, sogenannten Initiationsfaktoren, zusammengeführt, die während der Initiation an die kleine ribosomale Untereinheit binden und in allen drei Lebensbereichen vorkommen. Darüber hinaus verbraucht die Zelle GTP-Energie, um bei der Bildung des Initiationskomplexes zu helfen. Sobald die Ribosomenanordnung abgeschlossen ist, wird die geladene tRNAich befindet sich in der P-Stelle des Ribosoms und die leere A-Stelle ist bereit für die nächste Aminoacyl-tRNA. Die Polypeptidsynthese beginnt und verläuft immer vom N-Terminus zum C-Terminus, die als N-zu-C-Richtung bezeichnet wird.

In Eukaryoten unterstützen mehrere eukaryotische Initiationsfaktorproteine ​​(eIFs) den Ribosomenaufbau. Der eukaryotische Initiationsfaktor-2 (eIF-2) ist aktiv, wenn er an Guanosintriphosphat (GTP) bindet. Mit daran gebundenem GTP bindet das eIF-2-Protein an die kleine ribosomale 40S-Untereinheit. Als nächstes wird die mit Methionin beladene Initiator-tRNA (Met-tRNAich) assoziiert mit dem GTP-eIF-2/40S-Ribosomenkomplex, und sobald alle diese Komponenten aneinander gebunden sind, werden sie zusammenfassend als 43S-Komplex bezeichnet.

Die eukaryotischen Initiationsfaktoren eIF1, eIF3, eIF4 und eIF5 helfen dabei, den 43S-Komplex an die 5′-m 7 G-Kappe einer zu translatierenden mRNA zu bringen. Sobald der 43S-Komplex an die 5/8217-m 7 G-Kappe der mRNA gebunden ist, beginnt er die mRNA hinunter zu wandern, bis er das Initiations-AUG-Codon am Anfang des mRNA-Leserasters erreicht. Sequenzen um das AUG herum können helfen sicherzustellen, dass das richtige AUG als Initiationscodon in der mRNA verwendet wird.

Sobald sich der 43S-Komplex am Initiations-AUG befindet, wird das tRNAi-Met über dem AUG positioniert. Das Anticodon auf tRNAich-Erfüllte Basenpaare mit dem AUG-Codon. An diesem Punkt wird das an eIF2 im 43S-Komplexx gebundene GTP zu GDP + Phosphat hydrolysiert und Energie wird freigesetzt. Diese Energie wird verwendet, um eIF2 (mit daran gebundenem GDP) aus dem 43S-Komplex freizusetzen, wobei die ribosomale 40S-Untereinheit und die tRNA . zurückbleibenich-An der Translationsstartstelle der mRNA getroffen.

Als nächstes bindet eIF5 mit gebundenem GTP an die ribosomale 40S-Untereinheit, die mit der mRNA und der tRNA . komplexiert istich-Getroffen. Das eIF5-GTP ermöglicht die Bindung der 60S großen ribosomalen Untereinheit. Sobald die ribosomale 60S-Untereinheit ankommt, hydrolysiert eIF5 sein gebundenes GTP zu GDP + Phosphat, und Energie wird freigesetzt. Diese Energie treibt den Zusammenbau der beiden ribosomalen Untereinheiten zum intakten 80S-Ribosom mit tRNAi-Met an seiner P-Stelle an, während es auch basengepaart mit dem Initiations-AUG-Codon auf der mRNA ist. Die Übersetzung kann beginnen.

Die Bindung von eIF-2 an die ribosomale 40S-Untereinheit wird durch Phosphorylierung kontrolliert. Wenn eIF-2 phosphoryliert ist, unterliegt es einer Konformationsänderung und kann nicht an GTP binden. Daher kann sich der 43S-Komplex nicht richtig bilden und die Translation wird behindert. Wenn eIF-2 unphosphoryliert bleibt, bindet es die ribosomale 40S-Untereinheit und translatiert das Protein aktiv.

Übersetzungsinitiierungskomplex: Die Genexpression kann durch Faktoren kontrolliert werden, die den Translationsinitiationskomplex binden.

Die Fähigkeit, das Ribosom vollständig zusammenzubauen, beeinflusst direkt die Geschwindigkeit, mit der die Translation stattfindet. Aber die Proteinsynthese wird auch auf verschiedenen anderen Ebenen reguliert, einschließlich der mRNA-Synthese, tRNA-Synthese, rRNA-Synthese und der eukaryotischen Initiationsfaktor-Synthese. Eine Änderung in einer dieser Komponenten beeinflusst die Geschwindigkeit, mit der eine Übersetzung erfolgen kann.


16.4 Eukaryotische transkriptionelle Genregulation

In diesem Abschnitt werden Sie der folgenden Frage nachgehen:

Anschluss für AP ® Kurse

Um die Transkription zu starten, müssen allgemeine Transkriptionsfaktoren zunächst an einen bestimmten Bereich der DNA, der als TATA-Box bezeichnet wird, binden und dann RNA-Polymerase an diese Stelle rekrutieren. Darüber hinaus tragen andere Bereiche der DNA, die als Enhancer-Regionen bezeichnet werden, zur Steigerung der Transkription bei. Transkriptionsfaktoren können an Enhancer-Regionen binden, um die Transkription zu erhöhen oder zu verhindern.

Die präsentierten Informationen und die hervorgehobenen Beispiele im Abschnitt unterstützen die Konzepte, die in Big Idea 3 des AP ® Biology Curriculum Framework skizziert sind. Die im Curriculum Framework aufgeführten Lernziele bieten eine transparente Grundlage für den AP ® Biologiekurs, eine forschungsbasierte Laborerfahrung, Lehraktivitäten und AP ® Prüfungsfragen. Ein Lernziel verbindet erforderliche Inhalte mit einer oder mehreren der sieben Wissenschaftspraktiken

Große Idee 3 Lebende Systeme speichern, rufen, übertragen und reagieren auf Informationen, die für Lebensprozesse unerlässlich sind.
Beständiges Verständnis 3.B Die Expression genetischer Informationen umfasst zelluläre und molekulare Mechanismen.
Grundlegendes Wissen 3.B.1 Die Genregulation führt zu einer differenziellen Genexpression, die zu einer Zellspezialisierung führt
Wissenschaftliche Praxis 7.1 Die Studierenden können Phänomene und Modelle über räumliche und zeitliche Skalen hinweg verbinden.
Lernziel 3.18 Der Student ist in der Lage, den Zusammenhang zwischen der Regulation der Genexpression und beobachteten Unterschieden zwischen verschiedenen Organismenarten zu beschreiben
Grundlegendes Wissen 3.B.1 Die Genregulation führt zu einer differenziellen Genexpression, die zu einer Zellspezialisierung führt
Wissenschaftliche Praxis 7.1 Der Student kann Phänomene und Modelle über räumliche und zeitliche Skalen hinweg verbinden
Lernziel 3.19 Der Student ist in der Lage, den Zusammenhang zwischen der Regulation der Genexpression und beobachteten Unterschieden zwischen Individuen einer Population zu beschreiben
Grundlegendes Wissen 3.B.1 Die Genregulation führt zu einer differentiellen Genexpression, die zu einer Zellspezialisierung führt.
Wissenschaftliche Praxis 6.2 Der Schüler kann Erklärungen von Phänomenen aufbauen, die auf Beweisen basieren, die durch wissenschaftliche Praktiken gewonnen wurden
Lernziel 3.20 Der Student kann erklären, wie wichtig die Regulation der Genexpression für die Prozesse und Strukturen ist, die eine effiziente Zellfunktion unterstützen.
Grundlegendes Wissen 3.B.1 1 Die Genregulation führt zu einer differentiellen Genexpression, die zu einer Zellspezialisierung führt.
Wissenschaftliche Praxis 1.4 Die Studierenden können anhand von Darstellungen und Modellen Situationen analysieren oder Probleme qualitativ und quantitativ lösen.
Lernziel 3.21 Der Student kann anhand von Darstellungen beschreiben, wie die Genregulation die Zellprodukte und -funktion beeinflusst.

Lehrerunterstützung

Lassen Sie die Schüler mit farbigem Papier eine visuelle Darstellung erstellen, die die DNA-Transkription und die Rolle von Enhancern und Repressoren bei der Transkription zeigt.

Die Challenge-Fragen zur Wissenschaftspraxis enthalten zusätzliche Testfragen für diesen Abschnitt, die Ihnen bei der Vorbereitung auf die AP-Prüfung helfen. Diese Fragen beziehen sich auf folgende Standards:
[APLO 3.18]

Wie bei prokaryontischen Zellen erfordert die Transkription von Genen in Eukaryonten die Aktionen einer RNA-Polymerase, um an eine Sequenz stromaufwärts eines Gens zu binden, um die Transkription zu initiieren. Im Gegensatz zu prokaryontischen Zellen benötigt die eukaryontische RNA-Polymerase jedoch andere Proteine ​​oder Transkriptionsfaktoren, um die Transkriptionsinitiation zu erleichtern. Transkriptionsfaktoren sind Proteine, die an die Promotorsequenz und andere regulatorische Sequenzen binden, um die Transkription des Zielgens zu kontrollieren. RNA-Polymerase allein kann die Transkription in eukaryontischen Zellen nicht initiieren. Transkriptionsfaktoren müssen zuerst an die Promotorregion binden und RNA-Polymerase an die Stelle rekrutieren, an der die Transkription etabliert werden soll.

Die Aktivität von Transkriptionsfaktoren kann die unterschiedliche Genexpression in Zellen regulieren, was zur Entwicklung unterschiedlicher Zellprodukte und -funktionen führt. Wissenschaftler haben beispielsweise herausgefunden, dass die primären Geschlechtsmerkmale von mehreren Genen reguliert werden Abbildung 16.9. In der Fruchtfliege Drosophila, das slx Gen bestimmt das Geschlecht. Dieses Gen wird exprimiert, wenn der Organismus zwei Kopien des X-Chromosoms besitzt. Das Genprodukt für slx bindet an die mRNA des tra Gen und reguliert sein Spleißen. In Anwesenheit von slx, tra wird in seine weibliche Form gespleißt und beeinflusst den Ausdruck von dsx und fru zu weiblichen Geschlechtsmerkmalen führen. In Abwesenheit von slx, tra wird in seine männliche Form gespleißt und es resultieren männliche Geschlechtsmerkmale.

Link zum Lernen

Sehen Sie sich den Transkriptionsprozess – die Herstellung von RNA aus einer DNA-Vorlage – auf dieser Seite an.

  1. DNA entwickelt sich, Transkriptionsfaktoren binden, der Terminationskomplex bildet sich und DNA-Polymerase fügt der mRNA Nukleotide hinzu.
  2. DNA wird abgewickelt, Transkriptionsfaktoren binden und RNA-Polymerase fügt der mRNA Nukleotide hinzu.
  3. Der Transkriptionskomplex bildet sich, Transkriptionsfaktoren fügen der sich bildenden mRNA Nukleotide hinzu und die mRNA trennt sich von der DNA.
  4. Es kommt zur Elongation, gefolgt von der Bildung des Transkriptionsinitiationskomplexes und der Trennung des mRNA-Strangs von der DNA.

Der Promoter und die Transkriptionsmaschinerie

Gene sind organisiert, um die Kontrolle der Genexpression zu erleichtern. Die Promotorregion befindet sich unmittelbar stromaufwärts der kodierenden Sequenz. Diese Region kann kurz (nur einige Nukleotide lang) oder ziemlich lang (Hunderte von Nukleotiden lang) sein. Je länger der Promotor, desto mehr Platz für die Bindung von Proteinen. Dies verleiht dem Transkriptionsprozess auch mehr Kontrolle. Die Länge des Promotors ist genspezifisch und kann sich zwischen den Genen dramatisch unterscheiden. Folglich kann sich auch der Grad der Kontrolle der Genexpression zwischen den Genen ziemlich dramatisch unterscheiden. Der Zweck des Promotors besteht darin, Transkriptionsfaktoren zu binden, die die Initiation der Transkription steuern.

Innerhalb der Promotorregion, direkt stromaufwärts der Transkriptionsstartstelle, befindet sich die TATA-Box. Diese Box ist einfach eine Wiederholung von Thymin- und Adenindinukleotiden (wörtlich TATA-Wiederholungen). Die RNA-Polymerase bindet an den Transkriptionsinitiationskomplex, was die Transkription ermöglicht. Um die Transkription zu initiieren, bindet zuerst ein Transkriptionsfaktor (TFIID) an die TATA-Box. Die Bindung von TFIID rekrutiert andere Transkriptionsfaktoren, einschließlich TFIIB, TFIIE, TFIIF und TFIIH an die TATA-Box. Sobald dieser Komplex zusammengesetzt ist, kann die RNA-Polymerase an seine stromaufwärts gelegene Sequenz binden. Wenn sie zusammen mit den Transkriptionsfaktoren gebunden wird, wird die RNA-Polymerase phosphoryliert. Dadurch wird ein Teil des Proteins aus der DNA freigesetzt, um den Transkriptionsinitiationskomplex zu aktivieren und die RNA-Polymerase in die richtige Orientierung zu bringen, um mit der Transkription zu beginnen Mediatorproteine ​​(Abbildung 16.10).

Zusätzlich zu den allgemeinen Transkriptionsfaktoren können andere Transkriptionsfaktoren an den Promotor binden, um die Gentranskription zu regulieren. Diese Transkriptionsfaktoren binden an die Promotoren eines spezifischen Satzes von Genen. Sie sind keine allgemeinen Transkriptionsfaktoren, die an jeden Promotorkomplex binden, sondern werden an eine bestimmte Sequenz auf dem Promotor eines bestimmten Gens rekrutiert. Es gibt Hunderte von Transkriptionsfaktoren in einer Zelle, die jeweils spezifisch an ein bestimmtes DNA-Sequenzmotiv binden. Wenn Transkriptionsfaktoren direkt stromaufwärts des kodierten Gens an den Promotor binden, wird dies als a . bezeichnet cis-wirkendes Element, da es sich auf dem gleichen Chromosom direkt neben dem Gen befindet. Die Region, an die ein bestimmter Transkriptionsfaktor bindet, wird als Transkriptionsfaktor-Bindungsstelle bezeichnet. Transkriptionsfaktoren reagieren auf Umweltreize, die dazu führen, dass die Proteine ​​ihre Bindungsstellen finden und die Transkription des benötigten Gens initiieren.

Enhancer und Transkription

In einigen eukaryotischen Genen gibt es Regionen, die helfen, die Transkription zu erhöhen oder zu verbessern. Diese Regionen, die als Enhancer bezeichnet werden, befinden sich nicht unbedingt in der Nähe der Gene, die sie verstärken. Sie können stromaufwärts eines Gens, innerhalb der kodierenden Region des Gens, stromabwärts eines Gens oder Tausende von Nukleotiden entfernt liegen.

Enhancer-Regionen sind Bindungssequenzen oder Stellen für Transkriptionsfaktoren. Wenn ein DNA-beugendes Protein bindet, ändert sich die Form der DNA (Abbildung 16.10). Diese Formänderung ermöglicht die Wechselwirkung der an die Enhancer gebundenen Aktivatoren mit den an die Promotorregion gebundenen Transkriptionsfaktoren und der RNA-Polymerase. Während DNA im Allgemeinen als gerade Linie in zwei Dimensionen dargestellt wird, ist sie eigentlich ein dreidimensionales Objekt. Daher kann eine Nukleotidsequenz, die Tausende von Nukleotiden entfernt ist, sich umfalten und mit einem spezifischen Promotor interagieren.

Gene ausschalten: Transkriptionelle Repressoren

Wie prokaryontische Zellen verfügen auch eukaryontische Zellen über Mechanismen, um die Transkription zu verhindern. Transkriptionelle Repressoren können an Promotor- oder Enhancer-Regionen binden und die Transkription blockieren. Wie die Transkriptionsaktivatoren reagieren Repressoren auf externe Stimuli, um die Bindung von aktivierenden Transkriptionsfaktoren zu verhindern.


Enhancer, Repressoren und Promotoren

In der diesmonatigen Folge werden wir ein Thema erneut aufgreifen, mit dem die meisten – möglicherweise sogar alle – Leser in einem weit entfernten Bachelor-Studiengang konfrontiert waren, aber möglicherweise nicht in großer Tiefe oder mit seiner Bedeutung für humangenetische Krankheiten, die außerhalb von sehr deutlich gemacht wurden ein paar Sonderfälle. Hier ist ein kurzer Test: Stellen Sie sich die Frage: "Sind Mutationen in oder direkt angrenzend an kodierende Regionen von Genen die einzigen, die wahrscheinlich zu Krankheitszuständen führen?" Wenn Sie dies sofort mit „Ja“ beantworten, ist dieser Artikel für Sie. (Wenn Sie mit „Nein“ geantwortet haben, möchten Sie vielleicht trotzdem weiterlesen und sehen, ob Ihre Logik richtig ist!)

Kehren wir zu einer sehr grundlegenden Molekularbiologie zurück. Das Genom enthält Gene, die Bereiche der DNA sind, die in RNA transkribiert werden. In einigen Fällen ist diese RNA selbst direkt funktionsfähig (z. eine Proteinkodierungssequenz trägt, die von der ribosomalen Maschinerie in eine kovalent gebundene Reihe von Aminosäuren – ein Protein – übersetzt wird, das sich aufgrund der unterschiedlichen Seitenkettenchemie und ihrer elektrostatischen, Wasserstoffbrückenbindungen und hydrophoben Wechselwirkungen zu einem thermodynamischen Energieminima faltet Zustand, um ein funktionelles Enzym oder Strukturprotein zu erzeugen. Mutationen – Veränderungen der zugrunde liegenden DNA-Sequenz – innerhalb dieser kodierenden Region verursachen statistisch wahrscheinlich ungewollte Funktionsänderungen im endgültigen Proteinprodukt, obwohl „wahrscheinlich“ daran erinnert wird, dass solche Mutationen still sein können (d. h. kein Protein verursachen). Sequenzänderung) oder nicht schädlich (verursacht eine Änderung, die keine signifikanten Auswirkungen hat) oder sogar möglicherweise vorteilhaft, was ein biologisch besser geeignetes Produkt ergibt.

Was diese komprimierte Zusammenfassung von etwa zwei Jahren Biologiekursen im Grundstudium auslässt, ist, dass diese Gene in der DNA nicht einfach von selbst in RNA transkribieren. Wenn man bedenkt, dass nur ein kleiner Bruchteil des menschlichen Genoms tatsächliche Gene wie oben definiert trägt, gibt es andere DNA-Sequenzelemente, deren einzige Rolle darin besteht, die Gene zu markieren und ihr Expressionsniveau (Transkription in RNA) zu kontrollieren. Es gibt drei besonders bedeutende Arten dieser Kontrollelemente, die als Promotoren, Enhancer und Repressoren bezeichnet werden.

Promotoren: der proximale Gatekeeper für ein Gen

Promotoren sind relativ kurze Sequenzen (etwa 100 bis 1.000 Basenpaare lang), die immer direkt vor (5', bezogen auf den DNA-Kodierungsstrang) des von ihnen kontrollierten Gens gefunden werden („drive“, im üblichen Sprachgebrauch). Diese Sequenzen enthalten Elemente, die in RNA-Polymerasen rekrutieren, die für die Transkription des Gens verantwortlich sind. Wenn eine bestimmte definierte Promotorsequenz in einem bestimmten Zelltyp und einer bestimmten Einstellung maximal effizient bei der Rekrutierung der RNA-Polymerase ist – nennen wir das 100-prozentige Aktivität – dann können Variationen in der Sequenz auftreten, die diese Aktivität reduzieren (weniger RNA wird pro Zeiteinheit hergestellt) ). Einige Änderungen sind störender als andere, und in Kombinationen ist es nicht schwer vorstellbar, wie Variationen von einer „besten“ Promotorsequenz zu einem Potenzial für einen weichen Bereich der basalen Expressionsraten führen können, von unter 1 Prozent bis zu 100 Prozent Expression. Das ist aus der Sicht einer Zelle eine großartige Sache, weil es ermöglicht, dass die Expressionsniveaus verschiedener Gene auf die benötigte Menge an Genprodukt im Steady-State zugeschnitten sind.

Hinzu kommt (wörtlich) die Komplexität, dass Promotoren die RNA-Polymerase nicht direkt binden. Stattdessen enthalten sie kürzere Teilsequenzen, die als Bindungsstellen für eine Klasse von Proteinen, die als Transkriptionsfaktoren (TFs) bekannt sind, erkannt werden. 20 Basenpaare) und ihre eigene Fähigkeit, RNA-Polymerase zu rekrutieren. Viele haben auch direkt oder indirekt allosterische (sekundäre) Bindungsstellen, an denen Liganden wie Metaboliten oder Hormone binden und die Aktivität des Transkriptionsfaktors beeinflussen können. Tatsächlich ist es das komplexe Zusammenspiel all dieser verschiedenen Transkriptionsfaktoren und ihrer modulierenden Liganden, die den Kern der Definition verschiedener Zelltypen bilden, und ein Hepatozyten verhält sich anders als eine Epithelzelle, obwohl beide dieselbe DNA haben – sie sind “ verschiedene Signale empfangen“ – die ihre relativen Expressionsniveaus verschiedener Gene steuern.

Es ist dann leicht zu verstehen, wie eine Mutation innerhalb eines Promotors, die eine TF-Bindungsstelle verändert, nicht durch eine Änderung der Funktion des reifen Genprodukts, sondern durch Variation des Expressionsniveaus des Produkts zu Problemen führen kann. Unerwünschtes Hoch- oder Herunterregulieren eines Gens kann schwerwiegende Folgen haben und wenn es unglücklich genug ist, dass es in einem Gen passiert, das wiederum die Expression oder Aktivität anderer Gene kontrolliert, können die Ebenen einer ganzen Reihe von Genen durch eine einzige Nukleotidänderung verändert werden . In fast allen Fällen ist das nicht das Beste und eine solche Veränderung führt zu einem Krankheitszustand.

Der Leser wird sich daran erinnern, dass wir diesen Abschnitt mit der Feststellung begonnen haben, dass sich ein Promotor immer direkt stromaufwärts eines Gens befindet. Der Abstand zwischen dem Promotor und der Transkriptionsstartstelle (wo das erste RNA-Nukleotid in einem entstehenden Transkript abgelegt wird) ist ebenfalls wichtig, sodass Insertions- oder Deletionsmutationen – selbst solche, die keine spezifischen TF-Bindungsstellen direkt verändern – Auswirkungen haben können das Genexpressionsniveau. Ein Beispiel dafür, das allen Lesern sofort bekannt ist, wäre die Huntington-Krankheit. Dabei liegt zwischen dem Promotor und der Transkriptionsstartstelle ein instabiles genetisches Element. Normalerweise ist der Abstand akzeptabel und ausreichende Mengen der Huntington-Gen-mRNA werden transkribiert, jedoch kann während der Zellreplikation in das instabile Element zusätzliche DNA eingefügt werden, wodurch der Promotor vom Start des Gens wegbewegt wird. In diesem Fall ist der Promotor weniger effizient beim Antreiben der Transkription und die Transkriptspiegel sinken. Wenn die Insertion klein und der Rückgang der Expression gering ist, tritt keine manifeste Krankheit auf, sondern wird als „Träger“-Zustand betrachtet, in dem eine weitere Expansion die Genexpression unter das für eine normale Funktion erforderliche Niveau senkt und die Krankheitspathologie zur Folge hat. (Träger in diesem Sinne ist nicht genau identisch mit der Bedeutung in der Mendelschen Genetik, daher die Anführungszeichen.)

Die Quintessenz ist, dass für jedes Gen nicht nur die Sequenz des kodierenden Abschnitts für die richtige Funktion wichtig ist, sondern es gibt immer eine angrenzende Promotorregion, die anfällig für Mutationen ist, die schwerwiegende klinische Auswirkungen haben können. Ein Gen kann eine perfekte kodierende Sequenz des Wildtyps haben und dennoch nicht wie benötigt funktionieren.

Enhancer und Repressoren

Die gute Nachricht über Promoter ist, dass wir wissen, wo sie zu finden sind. Durch Sequenzieren und Untersuchen einer großen Anzahl von ihnen in verschiedenen Kontexten und durch die Identifizierung der verschiedenen TFs, die ihre Bindungsstellen und ihre Liganden binden, verstehen wir, können Promotoren finden und im richtigen Kontext sogar nach Belieben manipulieren, um Dinge zu tun, wie z B. eine gewebespezifische Genexpression erzeugen.

Enhancer und Repressoren sind jedoch eine größere Herausforderung. Dies sind DNA-Sequenzelemente, die auch die Genexpressionsniveaus modulieren können (aufwärts für Enhancer und abwärts für Repressoren, wie man sich vorstellen kann). Wie Promotoren sind sie kurze (50-1000) Basenpaarelemente und tragen innerhalb dieses Elements Bindungsstellen (oft als wiederholte Kopien) für Proteine, die die Transkriptionsraten bei nahegelegenen Genen beeinflussen können. In der Nähe ist jedoch ein absichtlich vage Begriff, da er bis zu 1 Million Basenpaare von dem beeinflussten Gen entfernt sein kann, und sie können entweder stromaufwärts oder stromabwärts – d. h. 5’ oder 3’ – des Gens liegen. Sie sind zumindest auf die Wirkung in cis oder mit anderen Worten auf demselben zusammenhängenden Chromosom wie das Gen beschränkt, aber ihre Identifizierung in Bezug auf ein bestimmtes Gen kann eine Herausforderung darstellen. Betrachtet man den Fall einer hypothetischen Enhancersequenz, wäre das Auffinden unerwartet niedriger Expressionsniveaus eines ansonsten intakten Gens mit offensichtlich normaler Promotorsequenz der erste Hinweis darauf, dass Enhancersequenzen beteiligt sein könnten. Wenn eine Anzahl solcher Fälle gefunden werden könnte und die genomische Region, die das betroffene Gen flankiert, sequenziert werden könnte, wäre die Identifizierung jeglicher Bereiche genetischer Veränderung vom Wildtyp, die in diesen Fällen gemeinsam sind, ein Ort, um nach Enhancer-Elementen zu suchen. Es wäre zu erwarten, dass eine Beschädigung (Sequenzänderung oder Deletion) dieser die Genexpression verringert. Das Spiegelbild davon ist gewissermaßen ein Repressor, der die gleichen Eigenschaften hat, aber im Normalzustand die Expression des Gens reduziert. Mutationen an einer Repressorstelle verursachen dann eine unerwünschte Hochregulation der Genexpression.

Wie wirken Enhancer und Repressoren über so große Distanzen hinweg – und vielleicht noch interessanter, wie kommt es, dass sie spezifisch sind? Das heißt, ein Enhancer oder Repressor wird normalerweise auf ein bestimmtes distales Gen wirken, jedoch können andere Gene in der Nähe des beeinflussten nicht beeinflusst werden. Die Antwort darauf ist vielleicht etwas enttäuschend, da die Antwort nichts Erstaunliches ist, weil der Enhancer oder Repressor räumlich nicht weit von dem von ihm regulierten Gen entfernt ist. Mit anderen Worten, Enhancer und Repressoren können aufgrund der Chromatinorganisation sequentiell an distalen Zielen arbeiten. Durch Umhüllen und Kompaktieren von Chromosomen, um in einen Zellkern zu passen, können entfernte Sequenzelemente physisch nebeneinander angeordnet werden, so dass ein Protein, das ein Sequenzelement bindet, ein anderes direkt berührt und beeinflusst. Der aufmerksame Leser wird jedoch bemerken, dass, damit dies zuverlässig funktioniert, die Genpackung und -organisation reproduzierbar erfolgen muss, so dass man sich darauf verlassen kann, dass die beiden Chromosomenabschnitte nahe beieinander liegen. Ein noch aufmerksamerer Leser könnte darüber hinaus vermuten, dass man sich Enhancer oder Repressoren vorstellen kann, die nur zu bestimmten Zeiten Einfluss ausüben können, wenn sich die Chromosomenorganisation und -packung in zuverlässiger Weise während der Schritte des Zellzyklus ändert.

Abschluss

Die Botschaft von all dem ist, dass nein, es ist nicht nur die kodierende Sequenz eines bestimmten Gens, die mutieren und die biologische Funktion des Gens beeinflussen kann. Dies hat mögliche Auswirkungen auf die relativen Informationen, die von Projekten zur Sequenzierung des gesamten Genoms im Vergleich zu Projekten zur Sequenzierung des gesamten Exoms übertragen werden – aber das ist ein Thema für einen weiteren Monat.


Gene sind organisiert, um die Kontrolle der Genexpression zu erleichtern. Die Promotorregion befindet sich unmittelbar stromaufwärts der kodierenden Sequenz. Diese Region kann kurz (nur einige Nukleotide lang) oder ziemlich lang (Hunderte von Nukleotiden lang) sein. Je länger der Promotor, desto mehr Platz für die Bindung von Proteinen. Dies verleiht dem Transkriptionsprozess auch mehr Kontrolle. Die Länge des Promotors ist genspezifisch und kann sich zwischen den Genen dramatisch unterscheiden. Folglich kann sich auch der Grad der Kontrolle der Genexpression zwischen den Genen ziemlich dramatisch unterscheiden. Der Zweck der Promoter besteht darin, Transkriptionsfaktoren zu binden, die die Initiation der Transkription steuern.

Innerhalb der Kernpromotorregion befindet sich 25 bis 35 Basen stromaufwärts der Transkriptionsstartstelle die TATA-Box. Die TATA-Box hat die Konsensussequenz von 5’-TATAAA-3’. Die TATA-Box ist die Bindungsstelle für einen Proteinkomplex namens TFIID, der ein TATA-bindendes Protein enthält. Die Bindung von TFIID rekrutiert andere Transkriptionsfaktoren, einschließlich TFIIB, TFIIE, TFIIF und TFIIH. Einige dieser Transkriptionsfaktoren helfen, die RNA-Polymerase an den Promotor zu binden, und andere helfen, den Transkriptionsinitiationskomplex zu aktivieren.

Neben der TATA-Box finden sich in einigen Promotoren weitere Bindungsstellen. Einige Biologen ziehen es vor, den Bereich des eukaryotischen Promotors auf den Kernpromotor oder die Polymerase-Bindungsstelle zu beschränken, und bezeichnen diese zusätzlichen Stellen als promotornahe Elemente, da sie normalerweise innerhalb weniger hundert Basenpaare stromaufwärts der Transkriptionsstartstelle gefunden werden . Beispiele für diese Elemente sind die CAAT-Box mit der Konsensussequenz 5’-CCAAT-3’ und die GC-Box mit der Konsensussequenz 5’-GGGCGG-3’. Spezifische Transkriptionsfaktoren können an diese promotornahen Elemente binden, um die Gentranskription zu regulieren. Ein gegebenes Gen kann seine eigene Kombination dieser spezifischen Transkriptionsfaktor-Bindungsstellen aufweisen. Es gibt Hunderte von Transkriptionsfaktoren in einer Zelle, von denen jeder spezifisch an ein bestimmtes DNA-Sequenzmotiv bindet. Wenn Transkriptionsfaktoren direkt stromaufwärts des kodierten Gens an den Promotor binden, wird es als cis-wirkendes Element bezeichnet, da es sich auf demselben Chromosom direkt neben dem Gen befindet. Transkriptionsfaktoren reagieren auf Umweltreize, die dazu führen, dass die Proteine ​​ihre Bindungsstellen finden und die Transkription des benötigten Gens initiieren.


Biologie 171

Am Ende dieses Abschnitts können Sie Folgendes tun:

  • Diskutieren Sie die Rolle von Transkriptionsfaktoren bei der Genregulation
  • Erklären Sie, wie Enhancer und Repressoren die Genexpression regulieren

Wie bei prokaryotischen Zellen erfordert die Transkription von Genen in Eukaryoten die Wirkung einer RNA-Polymerase, um an eine DNA-Sequenz stromaufwärts eines Gens zu binden, um die Transkription zu initiieren. Im Gegensatz zu prokaryontischen Zellen benötigt die eukaryontische RNA-Polymerase jedoch andere Proteine ​​oder Transkriptionsfaktoren, um die Transkriptionsinitiation zu erleichtern. RNA-Polymerase allein kann die Transkription in eukaryontischen Zellen nicht initiieren. Es gibt zwei Arten von Transkriptionsfaktoren, die die eukaryotische Transkription regulieren: Allgemeine (oder basale) Transkriptionsfaktoren binden an die Kernpromotorregion, um die Bindung der RNA-Polymerase zu unterstützen. Spezifische Transkriptionsfaktoren binden an verschiedene Regionen außerhalb der Kernpromotorregion und interagieren mit den Proteinen am Kernpromotor, um die Aktivität der Polymerase zu verstärken oder zu unterdrücken.

Sehen Sie sich den Prozess der Transkription an (Video) – die Herstellung von RNA aus einer DNA-Vorlage.

Der Promoter und die Transkriptionsmaschinerie

Gene sind organisiert, um die Kontrolle der Genexpression zu erleichtern. Die Promotorregion befindet sich unmittelbar stromaufwärts der kodierenden Sequenz. Diese Region kann kurz (nur einige Nukleotide lang) oder ziemlich lang (Hunderte von Nukleotiden lang) sein. Je länger der Promotor, desto mehr Platz für die Bindung von Proteinen. Dies verleiht dem Transkriptionsprozess auch mehr Kontrolle. Die Länge des Promotors ist genspezifisch und kann sich zwischen den Genen dramatisch unterscheiden. Folglich kann sich auch der Grad der Kontrolle der Genexpression zwischen den Genen ziemlich dramatisch unterscheiden. Der Zweck des Promotors besteht darin, Transkriptionsfaktoren zu binden, die die Initiation der Transkription steuern.

Innerhalb der Kernpromotorregion befindet sich 25 bis 35 Basen stromaufwärts der Transkriptionsstartstelle die TATA-Box. Die TATA-Box hat die Konsensussequenz von 5’-TATAAA-3’. Die TATA-Box ist die Bindungsstelle für einen Proteinkomplex namens TFIID, der ein TATA-bindendes Protein enthält. Die Bindung von TFIID rekrutiert andere Transkriptionsfaktoren, einschließlich TFIIB, TFIIE, TFIIF und TFIIH. Einige dieser Transkriptionsfaktoren helfen, die RNA-Polymerase an den Promotor zu binden, und andere helfen, den Transkriptionsinitiationskomplex zu aktivieren.

Neben der TATA-Box finden sich in einigen Promotoren weitere Bindungsstellen. Einige Biologen ziehen es vor, den Bereich des eukaryotischen Promotors auf den Kernpromotor oder die Polymerase-Bindungsstelle zu beschränken, und bezeichnen diese zusätzlichen Stellen als promotornahe Elemente, da sie normalerweise innerhalb weniger hundert Basenpaare stromaufwärts der Transkriptionsstartstelle gefunden werden . Beispiele für diese Elemente sind die CAAT-Box mit der Konsensussequenz 5’-CCAAT-3’ und die GC-Box mit der Konsensussequenz 5’-GGGCGG-3’. Spezifische Transkriptionsfaktoren können an diese promotornahen Elemente binden, um die Gentranskription zu regulieren. Ein gegebenes Gen kann seine eigene Kombination dieser spezifischen Transkriptionsfaktor-Bindungsstellen aufweisen. Es gibt Hunderte von Transkriptionsfaktoren in einer Zelle, von denen jeder spezifisch an ein bestimmtes DNA-Sequenzmotiv bindet. Wenn Transkriptionsfaktoren direkt stromaufwärts des kodierten Gens an den Promotor binden, wird es als cis-wirkendes Element bezeichnet, da es sich auf demselben Chromosom direkt neben dem Gen befindet. Transkriptionsfaktoren reagieren auf Umweltreize, die dazu führen, dass die Proteine ​​ihre Bindungsstellen finden und die Transkription des benötigten Gens initiieren.

Enhancer und Transkription

In einigen eukaryotischen Genen gibt es zusätzliche Regionen, die helfen, die Transkription zu erhöhen oder zu verbessern. Diese Regionen, die als Enhancer bezeichnet werden, befinden sich nicht unbedingt in der Nähe der Gene, die sie verstärken. Sie können stromaufwärts eines Gens, innerhalb der kodierenden Region des Gens, stromabwärts eines Gens oder Tausende von Nukleotiden entfernt liegen.

Enhancer-Regionen sind Bindungssequenzen oder Stellen für spezifische Transkriptionsfaktoren. Wenn ein Protein-Transkriptionsfaktor an seine Enhancer-Sequenz bindet, ändert sich die Form des Proteins, wodurch es mit Proteinen an der Promotorstelle interagieren kann. Da die Enhancer-Region jedoch vom Promotor entfernt sein kann, muss sich die DNA biegen, damit die Proteine ​​an den beiden Stellen in Kontakt kommen können. DNA-Bending-Proteine ​​helfen, die DNA zu biegen und bringen die Enhancer- und Promotor-Regionen zusammen ((Abbildung)). Diese Formänderung ermöglicht die Wechselwirkung der spezifischen Aktivatorproteine, die an die Enhancer gebunden sind, mit den allgemeinen Transkriptionsfaktoren, die an die Promotorregion und die RNA-Polymerase gebunden sind.


Gene ausschalten: Transkriptionelle Repressoren

Wie prokaryontische Zellen verfügen auch eukaryontische Zellen über Mechanismen, um die Transkription zu verhindern. Transkriptionelle Repressoren können an Promotor- oder Enhancer-Regionen binden und die Transkription blockieren. Wie die Transkriptionsaktivatoren reagieren Repressoren auf externe Stimuli, um die Bindung von aktivierenden Transkriptionsfaktoren zu verhindern.

Abschnittszusammenfassung

Um die Transkription zu starten, müssen zunächst allgemeine Transkriptionsfaktoren wie TFIID, TFIIB und andere an die TATA-Box binden und RNA-Polymerase an diese Stelle rekrutieren. Zusätzliche Transkriptionsfaktoren können auch an andere regulatorische Elemente am Promotor binden, um die Transkription zu erhöhen oder zu verhindern. Zusätzlich zu den Promotorsequenzen helfen Enhancer-Regionen, die Transkription zu steigern. Enhancer können stromaufwärts, stromabwärts, innerhalb eines Gens selbst oder auf anderen Chromosomen sein. Spezifische Transkriptionsfaktoren, die an Enhancer-Regionen gebunden sind, können die Transkription entweder erhöhen oder verhindern.

Freie Antwort

Eine Mutation innerhalb der Promotorregion kann die Transkription eines Gens verändern. Beschreiben Sie, wie dies passieren kann.

Eine Mutation in der Promotorregion kann die Bindungsstelle für einen Transkriptionsfaktor ändern, der normalerweise bindet, um die Transkription zu erhöhen. Die Mutation könnte entweder die Bindungsfähigkeit des Transkriptionsfaktors verringern, wodurch die Transkription verringert wird, oder sie kann die Bindungsfähigkeit des Transkriptionsfaktors erhöhen, wodurch die Transkription erhöht wird.

Was könnte passieren, wenn in einer Zelle zu viel eines aktivierenden Transkriptionsfaktors vorhanden ist?

Wenn zu viel eines aktivierenden Transkriptionsfaktors vorhanden wäre, würde die Transkription in der Zelle erhöht. Dies könnte zu dramatischen Veränderungen der Zellfunktion führen.

Ein Wissenschaftler identifiziert eine potenzielle Transkriptionsregulationsstelle 300bp stromabwärts eines Gens und vermutet, dass es sich um einen Repressor handelt. Welches Experiment (mit Ergebnissen) könnte er durchführen, um diese Hypothese zu untermauern?

Der einfachste Weg, seine Hypothese zu testen, besteht darin, die Stelle in einer Zelle zu mutieren und die Menge des mRNA-Transkripts zu überwachen, das aus dem Gen hergestellt wird. Wenn die Transkriptkonzentrationen in der mutierten Zelle zunehmen, dann unterdrückte die Stelle die Transkription.

Glossar


Abstrakt

Zellentwicklung, Morphologie und Funktion werden durch genaue Muster der Genexpression bestimmt. Diese werden durch die koordinierte Wirkung von genomischen regulatorischen Elementen, den sogenannten Enhancern oder cis-Regulatorische Module. Mehr als 30 Jahre nach der ersten Entdeckung von Enhancern sind viele ihrer Eigenschaften aufgeklärt, aber trotz großer Bemühungen haben wir nur ein unvollständiges Bild von Enhancern in tierischen Genomen. In diesem Aufsatz diskutieren wir, wie Eigenschaften von Enhancer-Sequenzen und Chromatin verwendet werden, um Enhancer in genomweiten Studien vorherzusagen. Wir behandeln auch neu entwickelte Hochdurchsatzverfahren, die das direkte Testen und Identifizieren von Enhancern anhand ihrer Aktivität ermöglichen. Schließlich diskutieren wir aktuelle technologische Fortschritte und aktuelle Herausforderungen im Bereich der regulatorischen Genomik.


Gene sind organisiert, um die Kontrolle der Genexpression zu erleichtern. Die Promotorregion befindet sich unmittelbar stromaufwärts der kodierenden Sequenz. Diese Region kann kurz (nur wenige Nukleotide lang) oder ziemlich lang (Hunderte von Nukleotiden lang) sein. Je länger der Promotor, desto mehr Platz für die Bindung von Proteinen. Dies verleiht dem Transkriptionsprozess auch mehr Kontrolle. Die Länge des Promotors ist genspezifisch und kann sich zwischen den Genen dramatisch unterscheiden. Folglich kann sich auch der Grad der Kontrolle der Genexpression zwischen den Genen ziemlich dramatisch unterscheiden. Der Zweck des Promotors besteht darin, Transkriptionsfaktoren zu binden, die die Initiation der Transkription steuern.

Innerhalb der Promotorregion, direkt stromaufwärts der Transkriptionsstartstelle, befindet sich die TATA-Box. Diese Box ist einfach eine Wiederholung von Thymin- und Adenindinukleotiden (wörtlich TATA-Wiederholungen). Die RNA-Polymerase bindet an den Transkriptionsinitiationskomplex, was die Transkription ermöglicht. Um die Transkription zu initiieren, bindet zuerst ein Transkriptionsfaktor (TFIID) an die TATA-Box. Die Bindung von TFIID rekrutiert andere Transkriptionsfaktoren, einschließlich TFIIB, TFIIE, TFIIF und TFIIH an die TATA-Box. Sobald dieser Komplex zusammengesetzt ist, kann die RNA-Polymerase an seine stromaufwärts gelegene Sequenz binden. Wenn sie zusammen mit den Transkriptionsfaktoren gebunden wird, wird die RNA-Polymerase phosphoryliert. This releases part of the protein from the DNA to activate the transcription initiation complex and places RNA polymerase in the correct orientation to begin transcription DNA-bending protein brings the enhancer, which can be quite a distance from the gene, in contact with transcription factors and mediator proteins (Figure).

An enhancer is a DNA sequence that promotes transcription. Each enhancer is made up of short DNA sequences called distal control elements. Activators bound to the distal control elements interact with mediator proteins and transcription factors. Two different genes may have the same promoter but different distal control elements, enabling differential gene expression.

In addition to the general transcription factors, other transcription factors can bind to the promoter to regulate gene transcription. These transcription factors bind to the promoters of a specific set of genes. They are not general transcription factors that bind to every promoter complex, but are recruited to a specific sequence on the promoter of a specific gene. There are hundreds of transcription factors in a cell that each bind specifically to a particular DNA sequence motif. When transcription factors bind to the promoter just upstream of the encoded gene, it is referred to as a cis-acting element , because it is on the same chromosome just next to the gene. The region that a particular transcription factor binds to is called the transcription factor binding site . Transcription factors respond to environmental stimuli that cause the proteins to find their binding sites and initiate transcription of the gene that is needed.


Enhancers, repressors, and promoters.

In this month's episode, we're going to revisit a topic that most--possibly even all--readers were exposed to in some far distant undergraduate course, but possibly not in much depth or with its significance to human genetic diseases made very clear outside of a few special cases. Here's a quick test: consider the question, "Are mutations in or directly adjacent to coding regions of genes the only ones likely to lead to disease states?" If your immediate reaction is to answer this with a "Yes," this article is for you. (If you answered "No," you might want to read on anyway and see if your logic is right!)

Let's go back to some very basic molecular biology. The genome contains genes, which are regions of DNA which get transcribed to RNA in some cases this RNA is itself directly functional (things like tRNAs or the 18S component of the ribosome, for instance) but in most cases, the RNA is an mRNA, carrying a protein coding sequence which is translated by the ribosomal machinery into a covalently attached series of amino acids--a protein--which by nature of the varied side chain chemistries and their electrostatic, hydrogen bond, and hydrophobic interactions folds up to a thermodynamic energy minima state to create a functional enzyme or structural protein. Mutations--changes to the underlying DNA sequence--within any of this coding region are statistically likely to cause unwanted changes of function in the final protein product, although "likely" there is a reminder that such mutations can be silent (meaning not causing a protein sequence change), or not harmful (causing a change which doesn't have significant impact), or even possibly advantageous, yielding a biologically more fit product.

What that compressed summary of about two years' worth of undergrad biology courses omits, is that these genes in ones DNA don't just magically transcribe to RNA on their own. Bearing in mind that only a small fraction of the human genome carries actual genes as defined above, there exist other DNA sequence elements whose sole role is to mark where genes are, and to control their level of expression (transcription to RNA). There are three particularly significant types of these control elements, called promoters, enhancers, and repressors and as we'll see below, mutations in any of these can have effects as serious (or worse) than mutations in coding sequences.

Promoters: the proximal gatekeeper for a gene

Promoters are relatively short sequences (roughly 100 to 1,000 base pairs in length) always found directly upstream (5', with respect to the DNA coding strand) of the gene they control ("drive," in usual parlance). These sequences contain elements which recruit in RNA polymerases responsible for transcribing the gene. Very simplistically, if a particular defined promoter sequence in a particular cell type and setting is maximally efficient at recruiting RNA polymerase--let's call that 100 percent activity--then variations in the sequence can occur which reduce this activity (less RNA is made per unit time). Some changes are more disruptive than others, and in combinations it's not hard to envision how variations from a "best" promoter sequence can lead to potential for a smooth range of basal expression rates, from sub 1 percent to full 100 percent expression. That's a great thing from a cell's standpoint, because it allows different genes to have their expression levels tailored to the steady state amount of gene product needed.

Adding (literally) a layer of complexity here is that promoters don't directly bind RNA polymerase. Instead, they contain shorter sub-sequences, which are recognized as binding sites for a class of proteins known as transcription factors (TFs) there are a great many of these, each with their own preferred DNA sequence binding site (usually short, 10-20 base pairs) and their own level of ability to recruit in RNA polymerase. Many also have, either directly or indirectly, allosteric (secondary) binding sites where ligands such as metabolites or hormones can bind and influence the transcription factor's level of activity. In fact, it's the complex interaction of all these different transcription factors and their modulating ligands which is at the core of how different cell types are defined, and a hepatocyte behaves differently than an epithelial cell despite both having the same DNA--they're "receiving different signals"--which control their relative expression levels of various genes.

It is easy to grasp then how a mutation within a promoter, changing a TF binding site, can lead to problems not through a change in the function of the mature gene product, but through variation in expression level of the product. Undesirable either up or down regulation of a gene can have serious consequences and if it's unfortunate enough to happen in a gene which in turn controls the expression or activity of other genes, a whole set of genes can have their levels altered by a single nucleotide change. In almost all cases, that's not for the best and such a change results in a disease state.

The reader will recall that we started this section by stating that a promoter is always directly upstream of a gene. The spacing between the promoter and the transcriptional start site (where first RNA nucleotide will be laid down in a nascent transcript) is also important, so insertion or deletion mutations--even ones which don't directly change any specific TF binding sites--can impact the gene expression level. An example of this immediately familiar to all readers would be Huntington's Disease. Here, an unstable genetic element lies between the promoter and the transcriptional start site. Normally the spacing is acceptable and sufficient levels of the Huntington gene mRNA are transcribed however during cell replication the unstable element can have additional DNA inserted, moving the promoter away from the start of the gene. As this happens, the promoter is less efficient at driving transcription and transcript levels fall. If the insertion is small and drop in expression is low, overt disease does not occur but it's considered a "carrier" state, where further expansion will drop gene expression below levels required for normal function, and disease pathology results. (Carrier in this sense is not strictly identical to the meaning in Mendelian genetics, thus the quotation marks.)

The bottom line is that for every gene, not only is the coding section sequence important for proper function, but there's always an adjacent promoter region which is susceptible to mutations which can have serious clinical repercussions. A gene might have a perfect wild type coding sequence and yet not function as needed.

The good news about promoters is that we know where to find them. In fact, by sequencing and examining large numbers of them in various contexts, and identifying the various TPs that bind their binding sites and their ligands, we understand, can find, and in the right context, even manipulate promoters at will to do things such as create tissue specific gene expression.

Enhancers and repressors however are more challenging. These are DNA sequence elements which can also modulate gene expression levels (upwards for enhancers, and downwards for repressors, as one might guess). Like promoters, they are short (50-1,000) base pair elements, and within this element will carry binding sites (often, as repeated copies) for proteins which can influence transcription rates at nearby genes. Nearby is an intentionally vague term though, as it can range up to 1 million base pairs away from the gene it influences, and they can be either upstream or downstream--that is, 5' or 3'--to the gene. They are at least restricted to action in cis or in other words, on the same contiguous chromosome as the gene, but identifying them in relationship to a particular gene can be challenging. Considering the case of a hypothetical enhancer sequence, finding unexpectedly low expression levels of an otherwise intact gene with apparently normal promoter sequence would be first clue that enhancer sequences might be involved. If a number of such cases could be found and genomic region flanking the impacted gene can be sequenced, identification of any areas of genetic change from wild type in common among these cases would be a place to look for enhancer elements. Damage (sequence alteration or deletion) of these would be expected to reduce gene expression. The mirror image of this in a sense is a repressor, which shares the same characteristics but which in its normal state reduces expression of the gene. Mutations at a repressor site then cause an undesirable upregulation in gene expression.

How do enhancers and repressors work across such large distances--and perhaps more interestingly, how is it that they're specific? That is, an enhancer or repressor will usually act on a particular distal gene, yet other genes near the one influenced may not be influenced. The answer to this is perhaps somewhat disappointing, as there's nothing amazing the answer is, because the enhancer or repressor is not, spatially, far away from the gene it regulates. In other words, enhancers and repressors are able to work on sequentially distal targets due to chromatin organization. By wrapping and compacting chromosomes to fit inside a cell nucleus, distant sequence elements can be placed physically adjacent to one another such that a protein binding one sequence element is directly touching and influencing another. The astute reader will note however that in order for this to work reliably, the gene packing and organization must occur reproducibly such that the two chromosome sections can be relied upon to be in proximity. An even more astute reader might further guess that if chromosome organization and packing changes in a reliable fashion during steps of the cell cycle, one might envision enhancers or repressors which can only exert influence at specific times.

The take home message from all of the above is that no, it's not just the coding sequence of any given gene which can mutate and influence biological function of the gene. This has possible implications for the relative information carried by whole genome sequencing vs whole exome sequencing projects--but that's a topic for another month,

John Brunstein, PhD, is a member of the MLO Editorial Advisory Board. He serves as President and Chief Science Officer for British Columbia-based PathoID, Inc., which provides consulting for development and validation of molecular assays.


Freie Antwort

A mutation within the promoter region can alter transcription of a gene. Describe how this can happen.

Eine Mutation in der Promotorregion kann die Bindungsstelle für einen Transkriptionsfaktor ändern, der normalerweise bindet, um die Transkription zu erhöhen. Die Mutation könnte entweder die Bindungsfähigkeit des Transkriptionsfaktors verringern, wodurch die Transkription verringert wird, oder sie kann die Bindungsfähigkeit des Transkriptionsfaktors erhöhen, wodurch die Transkription erhöht wird.

What could happen if a cell had too much of an activating transcription factor present?

Wenn zu viel eines aktivierenden Transkriptionsfaktors vorhanden wäre, würde die Transkription in der Zelle erhöht. Dies könnte zu dramatischen Veränderungen der Zellfunktion führen.