Vedvarende udvikling af ekstremiteter hos mus sikres ved duplikering af regulatorer • Alexander Markov • Videnskabsnyheder om "Elements" • Udviklingsbiologi, genetik

Vedvarende udvikling af ekstremiteter hos mus er tilvejebragt ved duplikering af regulatorer.

Fig. 1. Af de ti forstærkere, der styrer arbejdet med de gener, der er nødvendige for udviklingen af ​​lemmer, kan man fjerne noget, og dette vil ikke påvirke den normale udvikling af lemmerne. For hver forstærker er navnet angivet (for eksempel mm1179), genet, hvis arbejde det regulerer (for eksempel, Gli3), afstanden fra forstærkeren til punktet for transkription starter; venstre billede i hvert par viser i hvilke områder forbenet (på den 11. dag efter befrugtning) fungerer denne forstærker og sikrer inklusion af det kontrollerede gen; rigtigt billede – Forbenet af det sene embryo (18. dag), hvor denne forstærker er fraværende i begge kromosomer. I alle tilfælde var lemmen helt normalt. Billede fra artiklen i diskussionnatur

I pattedyr genomer er antallet af regulatoriske regioner af DNA-forstærkere – en størrelsesorden højere end antallet af proteinkodende gener. Betydningen af ​​en sådan overvægt af regulatorer er uklar. Eksperimenter på genetisk modificerede mus, som ved hjælp af CRISPR-Cas9 fjernede nogle evolutionære konservative (det er tilsyneladende vigtige) forstærkere, viste, at mange enhancers funktioner er "overflødige": disse regulatorer komplementerer ikke, men duplikerer hinanden .Duplikation øger bæredygtigheden af ​​udviklingen og sikrer dannelsen af ​​en normal fænotype på trods af de forskellige forstyrrelser.

Enhancere (se Enhancer) er regulatoriske regioner af DNA, hvortil særlige proteiner (transkriptionsfaktorer) er knyttet. Hver forstærker regulerer arbejdet i et proteinkodende gen, bestemmer under hvilke betingelser, i hvilke dele af kroppen og i hvilke udviklingsstadier genet vil blive udtrykt. Mange nye træk i løbet af evolutionen fremstår som følge af ændringer i forstærkere, og ikke de proteinkodende gener selv (se for eksempel: Genetiske mekanismer til dannelse af komplekse træk bliver gradvist klar, Elements, 14 april, 2010). For at finde ud af forstærkerfunktionen, dvs. det rumlige temporale ekspressionsmønster, der er defineret af det, anvendes genetisk manipulerede eksperimenter: de indsætter i genomet noget slags "velmærkede" gen (for eksempel et fluorescerende proteingen), hvortil forstærkeren af ​​interesse er knyttet og ser hvor og hvornår genet vil fungere.

Det samme gen kan have flere forstærkere med forskellige funktioner. Disse regulatorer indbefatter genet i forskellige udviklingsstadier og i forskellige væv.Men nogle gange overlapper flere enhancers, der definerer det samme ekspressionsmønster. Spørgsmålet opstår: Hvorfor har vi brug for sådan dobbeltarbejde? I eksperimenter på Drosophila blev det tidligere vist, at den tilsyneladende redundans af enhancers kan øge udviklingens bæredygtighed. Hvis noget går galt med et af reguleringssystemerne, vil andre forsikre dem, og kroppen vil stadig udvikle sig normalt. Således "ekstra" enhancere ontogeni stigning pålidelighed og sikre dannelsen af ​​den normale fænotype trods interferens – eksterne (miljø) eller intern (fx mutation) (se: Redundante controllere gøre fejlkorrigerende fosterudvikling, "Elements", 03.06.2010.). Hvor meget sådan forsikret dobbeltarbejde er almindelig i naturen, er fortsat at se.

I pattedyr overstiger det totale antal enhancere i genomet antallet af proteinkodende gener med en størrelsesorden. Hvad er betydningen af ​​en sådan overflod af regulatorer er endnu ikke klar. For at forstå dette ville det være godt at begynde med at finde ud af, hvilken type "forhold" der er mere typisk for forstærkere af det samme gen – tilføjelse (når forskellige forstærkere tvinger genet til at arbejde på forskellige steder på forskellige tidspunkter) eller dobbeltarbejde.I det første tilfælde afspejler antallet af forstærkere formentlig først og fremmest kompleksiteten af ​​organismenes struktur, i det andet tilfælde snarere "opdrift" og støjimmunitet.

Forsøg på at forstå dette vanskelige spørgsmål studerede forskere fra Lawrence Berkeley National Laboratory (Lawrence Berkeley National Laboratory) og kolleger fra amerikanske, schweiziske og spanske forskningsinstitutioner eksperimenterende egenskaberne hos 10 forstærkere, der var involveret i regulering af lemmernes udvikling i et musembryo.

Alle enhancere, der er valgt til analyse, opfylder tre kriterier. For det første er de evolutionært konservative (det vil sige, de ændrer sjældent i løbet af evolutionen), hvilket betyder, at de er vigtige. For det andet giver alle dem udtryk for kontrollerede gener i knopperne på lemmerne (fig. 1, venstre kolonner af fotografier). For det tredje er alle syv gener, hvis udtryk reguleres af disse forstærkere (Sox5, Sox9, Shox2, Gli3, Tbx3, Fgf10, SalI1), der er nødvendig for den normale udvikling af lemmerne. Mutationer i disse gener fører til forskellige fødselsdefekter. For eksempel gentab Gli3 fører til polydactyly og invaliderende Fgf10 – til fuldstændig fravær af poter i mus.

Forskerne fjernede alternativt disse 10 forstærkere fra genomerne af mus ved hjælp af CRISPR-Cas9 og så på, hvordan lemmerne ville udvikle sig i embryoner.Til forskernes store overraskelse viste i alle 10 tilfælde, at lemmerne var helt normale! (Figur 1, højre kolonner af fotos). Ekspressionsmønstre af kontrollerede gener forblev også næsten uændrede. Det viser sig, at uden nogen af ​​de 10 forstærkere, kan du undvære, hvilket faktisk er meget mærkeligt, i betragtning af den evolutionære konservatisme af disse regulerende elementer.

Disse resultater tyder på dobbeltarbejde. Tilsyneladende har hver af de 10 forstærkere "dobbelt" – andre forstærkere med samme funktion. For at teste denne hypotese begyndte forskerne at slette forstærkere ikke en ad gangen, men i par. Blandt de 10 udvalgte forstærkere er der tre egnede par: to forstærkere regulerer genet Gli3to andre – Shox2, to mere – Sox9 (Figur 1).

I to tilfælde ud af tre (for Gli3 og Shox2) Samtidig deletion af et par forstærkere resulterede i alvorlige defekter. Tab af to genregulatorer Gli3 førte til et fald i ekspressionen af ​​dette gen, som på fænotypisk niveau manifesterede sig i en tommelfinger på de forreste poter. Fjernelse af to genforstærkere Shox2 førte også til et fald i udtrykket af dette gen og på fænotypens niveau – til underudviklingen af ​​lårbenerne.

Således, selv om hver forstærker hver for sig ikke er vitalt, fører fjernelsen af ​​to forstærkere, som regulerer et gen på én gang, til grove udviklingsforstyrrelser. Dette er i overensstemmelse med tanken om, at "redundante" forstærkere duplikerer og afdækker hinanden.

Men forfatterne stoppede ikke ved hvad der var blevet gennemført og udførte en anden række eksperimenter for at finde ud af, om et sådant "sikkerhedsnet" hjælper med at løse andre problemer ud over tabet eller fejlen hos en af ​​enhancers. Til dette blev musene opdrættet med forskellige kombinationer af arbejds- og ikke-fungerende genforstærkere. Gli3 og Shox2, i hvilket af disse gener blev også brudt på en af ​​to homologe kromosomer. Med andre ord var disse mus heterozygotiske for manglen på Gli3 (eller Shox2), og med ufuldstændige sæt af forstærkere. Tanken var, at hvis en mus i stedet for to normalt fungerende kopier af et gen kun har en, så vil ekspressionsniveauet for dette gen generelt blive reduceret, og fænotypen bliver mere "sårbar", det vil sige følsom over for tab af forstærkere. Og sådan en mus vil ikke længere bryde sig om, om den kun har en af ​​to forstærkere, dublere eller begge dele.

Resultaterne bekræftede generelt disse forventninger (figur 2). For eksempel i mus med en arbejdskopi Gli3 og med to normale forstærkere er tommelfingeren kun lidt opdelt (figur 2, anden fod på toppen). Hvis i en sådan situation at fjerne nogen af ​​de to forstærkere, bliver polydactyly mere udtalt: to separate tommelfingre (den tredje og fjerde poter) opnås. Lignende resultater blev opnået ved gen Shox2.

Fig. 2. Poter af mus med forskellige kombinationer af beskadigede og fungerende kopier af genet Gli3 og dens to forstærkere (mm1179 og hs1586). Top ned det generelle udtryk niveau af Gli3 falder, og poten bliver mere og mere mærkelig. Billede fra artiklen i diskussion natur

Tilsyneladende bidrager hver af de "redundante" forstærkere individuelt til at opretholde det nødvendige ekspressionsniveau. Hvis alle andre systemer fungerer normalt, er en af ​​to forstærkere tilstrækkelige til at danne den korrekte fænotype. Men hvis noget gik galt (for eksempel blev en af ​​to geneksempler af gensynet), så bliver hver enkelt forstærkeres individuelle bidrag mærkbart, og forstærkere er ikke længere "overflødige".

Hvor almindelig er denne duplikering af forstærkerfunktioner hos mus? Der er endnu ikke noget svar, fordi ikke alle musforstærkere findes eller,des mere, eksperimentelt studeret. Men de tilgængelige data tillader os at finde muligt forstærkere og forudsige nogle af deres egenskaber. Der er udviklet særlige teknikker til dette. Sandsynlige forstærkere leder efter en kombination af tegn, herunder karakteristiske nukleotidsekvenser (som visse transkriptionsfaktorer kan vedhæfte), epigenetiske modifikationer af histoner og særlige karakteristika af kromatinstruktur. De tilgængelige detaljerede data om genekspression i forskellige dele af musembryoen ved forskellige udviklingsstadier giver os mulighed for at bedømme de mulige funktioner af de "forudsagte" forstærkere.

Efter at have analyseret disse data konkluderede forfatterne, at for det første mange forstærkere er karakteristiske for de fleste gener, som kontrollerer embryoudviklingen, for det andet er dobbeltfunktion sandsynligvis karakteristisk for en betydelig del af forstærkere, der regulerer ekspressionen af ​​disse gener.

Tilsyneladende er udviklingen af ​​støjimmunitet ekstremt vigtig for pattedyr (og måske generelt for alle multicellulære), og derfor suppleres yderligere regulatoriske elementer, som tilsyneladende overflødige ved første øjekast, ved udvælgelse, hvilket forklarer deres evolutionære konservatisme.

Kilde: Marco Osterwalder, Iros Barozzi, Virginie Tissières, Yoko Fukuda-Yuzawa, Brandon J.Mannion, Sarah Y. Afzal, Elizabeth A. Lee, Yiwen Zhu, Ingrid Plajzer-Frick, Catherine S. Pickle, Momoe Kato, Tyler H. Garvin, Quan T. Pham, Anne N. Harrington, Jennifer A. Akiyama, Veena Afzal , Javier Lopez-Rios, Diane E. Dickel, Axel Visel og Len A. Pennacchio. Enhancer redundans giver fænotypisk robusthed i udvikling af pattedyr // natur. Udgivet online: 31. januar 2018.

Se også:
1) Udviklingen af ​​regulatoriske sekvenser fører til udviklingen af ​​arter, "Elements", 09/17/2008.
2) Redundante regulatorer gør udviklingen af ​​det embryo støjbestandige, "Elements", 06/03/2010.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: