遠距離調(diào)控元件與遺傳性疾病

1、遠間隔調(diào)控元件與遺傳性疾病李亞王丹何浪王玉明【摘要】構(gòu)造和發(fā)育表達特異性基因通常具有高度龐大的表達調(diào)控形式。除啟動子外，該類基因的正常表達尚必要別的調(diào)控元件到場。這些調(diào)控元件重要包羅加強子和沉默沉靜子等，它們可位于間隔轉(zhuǎn)錄基因很遠的DNA序列中，乃至存在于與轉(zhuǎn)錄基因成效上不相干的相近基因內(nèi)。含有構(gòu)造特異性轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點的調(diào)控元件，通過到場調(diào)控相干基因的表達，促進構(gòu)造器官的分化與發(fā)育。這種準(zhǔn)確的調(diào)控機制一旦粉碎，將導(dǎo)致疾病的產(chǎn)生。而且，某些調(diào)控元件的非常能導(dǎo)致臨床表型與相應(yīng)基因編碼區(qū)突變截然差異的疾玻【關(guān)鍵詞】加強子；啟動子；沉默沉靜子Keyrds:enhaner；prter；silener迄

2、今為止，凌駕1500種基因與遺傳性疾病的發(fā)保存在嚴(yán)密的干系1。除基因編碼區(qū)突變外，轉(zhuǎn)錄調(diào)控序列的非常，也可擾亂基因的正常表達，粉碎基因正常成效，從而導(dǎo)致疾病的產(chǎn)生2。遠間隔調(diào)控元件重要包羅加強子、沉默沉靜子、斷絕子等順式作用元件，這些轉(zhuǎn)錄調(diào)控序列在調(diào)控構(gòu)造和發(fā)育特異性基因表達中飾演著至關(guān)緊張的腳色3。深化探究遠間隔調(diào)控元件的作用機制及其非常相干疾病的發(fā)病機理，對付該類疾病的防范、診斷和治療具有非常緊張的意義。1遠間隔調(diào)控元件1.1遠間隔調(diào)控元件的觀點構(gòu)造和發(fā)育特異性基因的表達，除啟動子、啟動子上游元件和停頓子等根本調(diào)控元件外，通常還需別的范例的順式作用元件到場，這些元件重要包羅加強基因轉(zhuǎn)錄的加

3、強子；按捺轉(zhuǎn)錄的沉默沉靜子；能防范相近阻遏狀態(tài)的異染色質(zhì)或活化狀態(tài)的常染色質(zhì)向側(cè)翼擴散的斷絕子4；布局更龐大且跨度更大，能降服異染色質(zhì)沉默沉靜效應(yīng)，促進同一位點內(nèi)多個基因和諧表達的位點操縱區(qū)LR等。和啟動子差異，上述構(gòu)造和發(fā)育特異性表達基因特有的轉(zhuǎn)錄調(diào)控序列通常無間隔和標(biāo)的目的限定，可位于轉(zhuǎn)錄基因的上、卑劣；乃至存在于闊別轉(zhuǎn)錄基因的DNA序列中5；很多還漫衍于與轉(zhuǎn)錄基因成效上不相干的相近基因內(nèi)含子中6；由此稱之為遠間隔調(diào)控元件以下簡稱元件。1.2遠間隔調(diào)控元件的產(chǎn)生元件所調(diào)控的基因重要編碼一些構(gòu)造特異性轉(zhuǎn)錄因子和發(fā)育信號分子，在發(fā)育的差異階段，這些基因視機體的必要而表達，從而在細胞、構(gòu)造器官的

4、分化、形成中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。必需指出，元件的得到是物種在恒久進化歷程中，通過天然選擇而非人工方法實現(xiàn)的6。元件的得到重要有兩種途徑，隨機的序列突變和基因組DNA片斷插入7，基因重復(fù)后的分化3。而且，與此相干的染色體活動和重排常造成元件嵌入到相近的別的基因內(nèi)含子中，這些相近基因通常是一些構(gòu)成性表達大概是與被調(diào)控基因成效上不相干的基因8、9。一樣平常來講，進化歷程中產(chǎn)生的新元件，只要能與啟動子彼此作用而不滋擾基因原有的表達調(diào)控體系，并能使物種保持進化上的上風(fēng)，即可在物種基因組中結(jié)實下來。別的，通過與原有的元件協(xié)同作用，新元件還可優(yōu)化基因的表達，給予物種選擇上風(fēng)。因此，元件的漫衍通常具有如許的紀(jì)律：

5、間隔轉(zhuǎn)錄基因相對較近的元件與基因原有的成效相干；而決定基因在新構(gòu)造中表達的元件每每與其調(diào)控的基因相距較遠10。1.3遠間隔調(diào)控元件的查尋與斷定轉(zhuǎn)基因技能和表達構(gòu)造染色質(zhì)DNaseI高敏感位點作圖11，是創(chuàng)造和斷定元件的兩種根本要領(lǐng)。前者通過構(gòu)建加強子缺失的轉(zhuǎn)基因小鼠12、13來實現(xiàn)；后者那么基于如許一種熟悉，即轉(zhuǎn)錄活潑基因的順式作用元件對DNase敏感，別的，假設(shè)在作圖歷程中創(chuàng)造元件靠近啟動子地區(qū)，還可進一步運用足跡法確定元件內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點。比年來，隨著人類基因組籌劃和種種形式生物測序事情的相繼完成，出現(xiàn)了另一種大范圍輕便快速查尋元件的要領(lǐng)序列比力法14，其根據(jù)的原理是，人類基因組中大多數(shù)

6、元件在脊椎動物中具有高度的守舊性。通過物種間DNA序列比力，已在差異物種基因組的非編碼區(qū)創(chuàng)造大量的高度守舊序列，這些序列大概具有基因表達調(diào)控相干的埋伏成效。因此，可將物種間序列守舊性比力作為探求未知元件的第一步，之后，再結(jié)合轉(zhuǎn)基因動物模子等技能，對候選序列舉行成效闡發(fā)與斷定。Lts品級一次將序列比力樂成地運用于未知元件的查尋，通過物種間序列比力，在細胞因子基因IL4和IL3之間創(chuàng)造一段守舊序列，后經(jīng)轉(zhuǎn)基因小鼠基因缺失研究證明，該序列為調(diào)控IL4、IL3以及與之相距更遠的IL5基因表達的加強子。如今，該要領(lǐng)已相對成熟，正普及地應(yīng)用于篩查構(gòu)造特異性表達基因兩側(cè)大范疇地區(qū)的調(diào)控元件。2遠間隔調(diào)控元件

7、的非常如今，重要有三種元件非常的方法，元件DNA序列突變。染色體布局畸變導(dǎo)致的轉(zhuǎn)錄基因與元件分散。元件地點地區(qū)染色質(zhì)布局的改變15、16。三種方法均通過滋擾啟動子、轉(zhuǎn)錄基因與元件的彼此作用粉碎正常的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控。3遠間隔調(diào)控元件非常與遺傳病的干系恒久以來，由于元件與轉(zhuǎn)錄基因間位置的不確定性，給元件及其非常所致的遺傳病的斷定帶來極大的困難。比年來，隨著以轉(zhuǎn)基因技能為代表的一批分子生物學(xué)技能的普及運用，迄今為止，已創(chuàng)造20余種元件非常相干的人類遺傳病表1。此中，絕大多數(shù)為調(diào)控特異性轉(zhuǎn)錄因子和發(fā)育信號分子基因的元件非常導(dǎo)致的先本性發(fā)育畸形。根據(jù)發(fā)病分子機理的差異，可將相干疾病分別為如下3類：3.1位

8、置效應(yīng)與遺傳病自1995年初次在果蠅中創(chuàng)造染色體布局畸變導(dǎo)致的基因轉(zhuǎn)錄非常以來，連續(xù)在很多人類遺傳病中創(chuàng)造轉(zhuǎn)錄基因外染色體布局重排征象17。allrath等把這類由轉(zhuǎn)錄基因外的染色體布局畸變引起的遺傳病形象地形貌為位置效應(yīng)遺傳病17。這些疾病的配合特性是致病基因雖已明白，但在患者中檢測不到致病基因的突變，而與疾病表型相干的染色體布局畸變那么產(chǎn)生在致病基因之外。隨后，外洋學(xué)者使用轉(zhuǎn)基因小鼠模子對位置效應(yīng)疾病的發(fā)病機理舉行了深化地研究，效果表白染色體布局畸變?nèi)缛笔?、易位、倒位?dǎo)致元件粉碎或與轉(zhuǎn)錄基因分散，從而使其調(diào)控的構(gòu)造和發(fā)育特異性基因表達非常，是該類遺傳病產(chǎn)生的根底緣故原由18。由于染色體布局

9、畸變很輕易借助細胞學(xué)要領(lǐng)不雅察到，而且很多相干的遺傳病，其臨床表型又與相應(yīng)致病基因編碼區(qū)突變導(dǎo)致的臨床病癥相似，故位置效應(yīng)遺傳病是創(chuàng)造最早、最多，也是最輕易創(chuàng)造的一類遠間隔調(diào)控元件非常相干的遺傳玻必需指出，只管如今的大多數(shù)位置效應(yīng)遺傳病的臨床病癥與相應(yīng)基因編碼區(qū)突變相似，但仍有部門位置效應(yīng)遺傳病的臨床表型完全差異于編碼區(qū)突變。下面以無鞏膜I106210和肢體內(nèi)側(cè)多趾癥I174500為例別離加以說明。無鞏膜是由PAX6基因表達量缺乏引起的遺傳性眼玻致病基因定位于11p13，編碼一種特異性轉(zhuǎn)錄因子。然而，在一些患者基因組中檢測不到PAX6基因突變；卻創(chuàng)造PAX6基因卑劣存在染色體布局重排；此中，最

10、遠的染色體斷裂點與PAX6基因相距達125kb。進一步的研究表現(xiàn)，這些斷裂點全部位于構(gòu)成型表達的ELP4基因末了3個內(nèi)含子中，但ELP4基因缺陷卻不敷以引起該病的產(chǎn)生9。用低濃度DNA酶處置懲罰PAX6基因表達構(gòu)造染色質(zhì)，創(chuàng)造距斷裂點卑劣不遠的ELP4基因別的內(nèi)含子中存在DNase高敏感位點。用人工酵母染色體YA構(gòu)建轉(zhuǎn)基因小鼠模子，效果表現(xiàn)，覆蓋了上述DNase高敏感位點的YA，使無編碼區(qū)突變的抱病雜合子小鼠的子代表型規(guī)復(fù)正常；相反，未涵蓋DNaseI高敏感位點的YA那么無此作用，提示這些DNase高敏感位點位于構(gòu)造特異性加強子中11。假設(shè)用人、鼠的體細胞舉行雜交，那么PAX6基因表達于保存有

11、完備人類11號染色體的雜種細胞中；而在有患者11號染色體的雜種細胞中卻不表達；由于患者細胞11號染色體雖有完備的PAX6基因，但缺失了卑劣加強子18，以上效果充實表白，在ELP4基因內(nèi)含子中存在調(diào)控PAX6基因表達的加強子，正是由于這些加強子在染色體重排歷程中喪失或易位，引起PAX6基因在患者病灶構(gòu)造中表達不敷，從而導(dǎo)致與PAX6基因編碼區(qū)突變雷同的臨床表型。前面提及，有些元件非常相干疾病的表型顯著差異于相應(yīng)基因編碼區(qū)的突變，這是由于遠間隔調(diào)控元件的粉碎引起基因表達非常僅影響到部門表達構(gòu)造的緣故。肢體內(nèi)側(cè)多趾癥PPD是人類較常見的遺傳性畸形，其致病基因SHH編碼一種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)卵白，在肢體前后樞軸

12、形成中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。轉(zhuǎn)基因突變小鼠-Ssq為PPD提供了很好的研究質(zhì)料。Ssq小鼠SHH基因上游1b的LBR1基因第5個內(nèi)含子中有一段插入的DNA片斷，純合子Ssq小鼠的病癥較雜合子嚴(yán)峻的多，也未創(chuàng)造別的轉(zhuǎn)基因小鼠表示出PPD病癥。提示該片斷的插入是導(dǎo)致PPD的緣故原由。正常環(huán)境下，SHH基因僅在小鼠新生肢體后部表達，但Ssq小鼠新生肢體前端和后部均創(chuàng)造有SHH基因表達8，SHH基因在Ssq小鼠的異位表達不但可以說明PPD產(chǎn)生的緣故原由，而且提示插入片斷粉碎了SHH基因在新生肢體中準(zhǔn)確表達。通過序列比力，在Ssq小鼠插入位點四周創(chuàng)造守舊序列，轉(zhuǎn)基因研究證明，該守舊序列為調(diào)控SHH基因在小鼠新

13、生肢體后部表達的構(gòu)造特異性加強子12。別的，守舊序列粉碎引起SHH基因在Ssq小鼠新生肢體前端的表達，可以推測，該守舊序列大概還含有按捺SHH基因在新生肢體前端表達的沉默沉靜子。3.2染色質(zhì)構(gòu)象改變與遺傳病元件地點的染色質(zhì)空間布局改變，也可引起相干基因的非常表達，導(dǎo)致遺傳病的產(chǎn)生。如今，的該類遺傳病不多，一種常染色體顯性遺傳的神經(jīng)肌肉性疾病-FSHDI158900是其典范。FSHD產(chǎn)生與4q35末了的一段串聯(lián)重復(fù)序列完全或部門缺失有關(guān)。該序列的重復(fù)單位稱為D4Z4，正凡人有11150個D4Z4拷貝，而受累個別此中一條染色體的拷貝數(shù)小于或即是10。一樣平常來講，患者D4Z4拷貝數(shù)越少，病情越嚴(yán)峻

14、，發(fā)病年事也越早。研究表白，D4Z4重復(fù)區(qū)無布局基因存在，因此，普及以為FSHD是由D4Z4重復(fù)序列缺失導(dǎo)致元件粉碎引起。最新的研究表白，低拷貝的D4Z4重復(fù)序列可形成一個環(huán)狀布局，該環(huán)直接與4q35地區(qū)的基因彼此作用，導(dǎo)致這些基因在不適當(dāng)?shù)臅r間和構(gòu)造表達19，因此，可以以為FSHD是由4號染色體長臂末了染色質(zhì)上，轉(zhuǎn)錄因子間或調(diào)控染色質(zhì)布局的卵白間不作用所致。地中海血虛重要由一個或幾個-和-珠卵白基因突變、缺失或-珠卵白基因LR缺失引起。人類-珠卵白基因簇位于16q13，每條染色體上均有兩個-珠卵白基因HBA1和HBA2。-珠卵白基因表達受其上游的HS-40區(qū)的操縱。正常環(huán)境下，以4個-珠卵白

15、基由于模板舉行轉(zhuǎn)錄。Tufarelli等16創(chuàng)造一抱病家系，受累成員的一條4號染色體均有一包羅HBA1基因在內(nèi)的片斷缺失，但缺失染色體保存了完備的HBA2基因和HS-40區(qū)。病情程度提示，缺失染色體上HBA2基因表達同樣受到影響。隨后創(chuàng)造，患者體內(nèi)全部構(gòu)造都有一個涵蓋HBA2pG島的2kb地區(qū)被甲基化。正常環(huán)境下，縱然非表達構(gòu)造中的HBA2pG島也總保持非甲基化狀態(tài)。進一步研究表白，這種HBA2啟動子的沉默沉靜，和甲基化與相近的LU7L基因轉(zhuǎn)錄的反義RNA有嚴(yán)密的干系。除HBA1基因外，上述缺失片斷還涵蓋了LU7L基因末了3個外顯子及其加尾信號區(qū)，致使LU7L基因轉(zhuǎn)錄延伸至HBA2基因及其啟動

16、子中。LU7L基因轉(zhuǎn)錄非常，導(dǎo)致HBA2啟動子的沉默沉靜和甲基化僅存在于缺失染色體中，提示這種沉默沉靜和甲基化是通過順式作用機制實現(xiàn)的。上述病例為人們展示了一種完全差異的突變機制，這種基因突變導(dǎo)致相近基因表達封閉，雖未涉及元件的粉碎，但對基因漫衍麋集的染色質(zhì)地區(qū)而言，它代表了一種疾病產(chǎn)生的機制。3.3元件突變與遺傳病終究上，元件的點突變或微缺失，也可引起基因表達構(gòu)造特異性的得到或喪失而導(dǎo)致疾病的產(chǎn)生，乃至出現(xiàn)臨床表型與基因編碼區(qū)突變完全差異的疾玻與位置效應(yīng)疾病差異，這類調(diào)控序列改變引起的遺傳病沒有顯著的染色體布局的變革，對其發(fā)病機理的熟悉重要通過轉(zhuǎn)基因小鼠模子12，或?qū)蜻x基因側(cè)翼區(qū)精致作圖和

17、序列闡發(fā)13得到。由于元件斷定及其非常的檢出難度很大，因此，只管埋伏的相干疾病甚多，但當(dāng)前現(xiàn)實得到闡發(fā)的病種并不多。比方，人類SHH基因上游1b的位置存在一種稱為ZRS的元件，該元件具有促進SHH基因在肢體前端表達，限定在肢體后部表達的雙重調(diào)控成效。通過對部門肢體內(nèi)側(cè)多趾癥PPD患者的ZRS舉行測序，在患者中已創(chuàng)造ZRS多種范例的點突變。表1轉(zhuǎn)錄調(diào)控非常相干的人類疾病Table1HuanDiseaseausedbyaberranttransriptinalntrlGeneGeneFuntinDiseaseFurthestDistanefBreakpint(kb)3r5fTFPAX6TFAnir

18、idia1253TISTTFSaethre-htzenSaethre-htzensyndre2603PU3F4TFX-linkeddeafness9005PITX2TFRiegersyndre905GLI3TFGrEigsyndre103AFTFgenetiatarat10005FX1TFGlaua/autsaldinantiridgnidysgenesis25/12022FX2TFLyphedeadistihiasis1203SRYTFSexreversal35/3SIX3TFHlprsenephaly(HPE2)2022SHHSignalingHlprsenephaly(HPE3)2655

19、SHHSignalingPreaxialplydatyly10005SHF1TFSplit-hand/split-ftalfratin4505/3FSHDunknnFaisapulhueraldystrphy1003HBBxygenarrier-Thalasseia505HBAxygenarrier-Thalasseia183HxdTFeselidysplasiaandvertebraldefets603TF：transriptinfatr4小結(jié)與預(yù)測多數(shù)環(huán)境下，遺傳病由基因編碼區(qū)突變所致，但調(diào)控區(qū)突變也可滋擾正常的轉(zhuǎn)錄歷程，導(dǎo)致疾病產(chǎn)生。固然染色體布局重排引起的位置效應(yīng)遺傳病，是最輕易創(chuàng)造的

20、一類遠間隔調(diào)控元件非常疾病，然而，偶然要弄清元件的粉碎畢竟影響到何種基因的表達也是非常困難的，由于被粉碎的元件大概完全位于某個基因內(nèi)，但卻影響另一個基因的表達。別的，元件非常導(dǎo)致的疾病表型，大概與相應(yīng)致病基因編碼區(qū)突變產(chǎn)生的臨床病癥完全差異。更為困難的是檢出元件內(nèi)小缺失和點突變，偶然，在距轉(zhuǎn)錄基因很遠位置上僅僅一個堿基置換突變，都有大概導(dǎo)致嚴(yán)峻的疾病產(chǎn)生12。如今，科學(xué)家們正實驗接納基因芯片技能對大概的元件實行大范圍的突變篩查。篩查時，先舉行物種間DNA序列比對，再將候選序列制備成探針并結(jié)實在硅片上14。別的，調(diào)控元件變異的研究是如今涉足得最少的范疇，這種變異僅涉及元件微小的改變，只管偶然乃至

21、不產(chǎn)生顯著的可覺察的表型效應(yīng)，但仍大概改變相干基因的表達形式或程度。研究表白20，與布局基因一樣，在調(diào)控元件中也存在很多可遺傳的多態(tài)位點，這些多態(tài)位點大概是人類疾病相干的數(shù)目性狀位點QTLs的構(gòu)成部門。信賴隨著技能的不竭生長和研究的不竭深化，信賴越來越多的遠間隔調(diào)控元件非常相干疾病發(fā)病機理將被闡發(fā)。【參考文獻】1ValueD.Genetis,Individuality,andediineinthe21stenturyAJHuGenet,2022,74:374-3812Levine,TjianR.TransriptinRegulatinandAnialDiversityNature,2022,4

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