Genomy zwierząt posiadają wysoce konserwatywne sekwencje cis-regulacyjne, które są często często znajdują się w pobliżu genów regulujących transkrypcję i rozwój. Naukowcy zaproponowali, że silna konserwacja tych sekwencji może wpływać na ewolucję ewolucję otaczającego genomu, zarówno poprzez represję rearanżacji, jak i prawdopodobnie poprzez promowanie retencji zduplikowanych genów. Sprzeczne dane sprawiły jednak, że sprawiły, że ważność tych propozycji jest niejasna. Tutaj używamy nowej metodę obliczeniową do identyfikacji filogenetycznie konserwowanych elementów niekodujących (PCNE) w sposób, który nie jest zależny od rearanżacji i duplikacji. Ta metoda jest wystarczająco skuteczna, aby zidentyfikować ponad tysiąc PCNE, które zostały zachowanych między kręgowcami i podstawowymi płazami strunowymi. Przetestowaliśmy 42 z PCNE w testach transgenicznych danio pręgowanego - w tym przykłady z kręgowców i płazów - i stwierdzamy, że większość z nich jest funkcjonalnymi wzmacniaczami. Odkryliśmy, że PCNE są wzbogacone wokół genów ze starożytną konserwacją syntenii i że ten jest najsilniejsze w przypadku PCNE pozagenowych, co sugeruje, że cis-regulacyjna odgrywa kluczową rolę w hamowaniu rearanżacji genomu. Następnie sklasyfikowaliśmy geny myszy i danio pręgowanego według powiązania z PCNE, zachowania syntenii konserwacja, historia duplikacji i obecność w dwukierunkowych parach promotorów, i wykorzystujemy te dane do grupowania funkcji genów w szereg różnych wzorców ewolucyjnych. wzorców ewolucyjnych. Wyniki te pokazują, że subfunkcjonalizacja konserwowanej cis-regulacji nie była głównym wyznacznikiem duplikacji genów u kręgowców. Zamiast tego dane wspierają hipotezę równowagi genowej, która proponuje, że retencja duplikatów była napędzana przez selekcję przeciwko nierównowagi dawek w genach z wieloma połączeniami białkowymi. --- Jednym z kluczowych odkryć projektów sekwencjonowania genomów kręgowców była identyfikacja wysoce konserwatywnych elementów niekodujących (CNE). Niektóre charakterystyka CNE obejmuje ich wysoką częstotliwość w genomach ssaków, ich potencjalną rolę regulacyjną w ekspresji genów i ich wzbogacenie w geny w pobliżu głównych genów rozwojowych. Nieprawidłowy rozwój komórek komórek grzebienia nerwowego (NCC) prowadzi do szerokiego spektrum wrodzonych wad rozwojowych, zwanych neurokrystopatiami i/lub predyspozycji do nowotworów. Tutaj dokonujemy przeglądu ostatnich odkrycia, że zakłócenia CNE, w obrębie lub w dużej odległości od sekwencji kodujących sekwencji kluczowych genów zaangażowanych w rozwój NCC, powodują neurokrystopatie poprzez zmianę specyficznej dla tkanki lub etapu długodystansowej regulacji ekspresji genów. ekspresji genów. Podczas gdy większość badań nad ludzkimi zaburzeniami genetycznymi koncentrowała się na sekwencjach sekwencjach kodujących białka, przykłady te sugerują, że badanie zmian genomowych zmian genomowych CNE zapewni szersze zrozumienie molekularnej etiologii zarówno rzadkich, jak i powszechnych wrodzonych wad rozwojowych u ludzi. --- Konserwowane elementy niekodujące (CNE) stanowią większość sekwencji w ludzkim genomie. oczyszczającej selekcji w ludzkim genomie, ale ich funkcja pozostaje w dużej mierze nieznana. Dowody eksperymentalne sugerują, że wiele z tych elementów odgrywa role regulacyjne, ale niewiele wiadomo na temat zawartych w nich motywów regulacyjnych. w nich zawartych. Tutaj opisujemy systematyczne podejście do odkrywania i charakteryzowania motywów regulacyjnych w CNE ssaków poprzez wyszukiwanie długich motywów (12-22 nt) ze znacznym wzbogaceniem w CNE i badanie ich właściwości biochemicznych i genomicznych. właściwości biochemiczne i genomiczne. Nasza analiza zidentyfikowała 233 długie motywy (LM), odpowiadające łącznie około 60 000 konserwatywnych instancji w ludzkim genomie. Motywy te obejmują 16 wcześniej znanych elementów regulacyjnych, takich jak motyw histonowy 3'-UTR i ograniczający neurony element wyciszający, a także uderzające przykłady nowych elementów funkcjonalnych. nowych elementów funkcjonalnych. Najbardziej wzbogacony motyw (LM1) odpowiada motywowi X-box znanemu z drożdży i nicieni. Pokazujemy, że jest on związany przez białko białko RFX1 i identyfikujemy tysiące przypadków konserwatywnych motywów, co sugeruje szeroką rolę rodziny RFX w regulacji genów. Druga grupa motywów (LM2*) nie pasuje do żadnego wcześniej znanego motywu. Wykazujemy metodami biochemicznymi i metodami obliczeniowymi, że definiuje ona miejsce wiązania dla białka CTCF, które jest zaangażowane w funkcję izolatora ograniczającego rozprzestrzenianie się aktywacji genów. Zidentyfikowaliśmy prawie 15 000 konserwatywnych miejsc, które prawdopodobnie służą jako izolatory, i pokazujemy, że pobliskie geny oddzielone przewidywanymi miejscami CTCF wykazują znacznie znacznie zmniejszoną korelację w ekspresji genów. Miejsca te mogą zatem dzielić ludzki genom genom na domeny ekspresji. --- Pan-kręgowców rozwojowe elementy cis-regulacyjne są rozróżnialne jako wysoce konserwowane elementy niekodujące (HCNE) i często są rozproszone na obszarach elementy niekodujące (HCNE) i często są rozproszone na dużych obszarach wokół plejotropowych genów, których ekspresję kontrolują. Na loci dwóch rozwojowych genów czynników transkrypcyjnych, SOX3 i PAX6, wykazujemy, że HCNE konserwowane między człowiekiem a danio pręgowanym mogą być systematycznie i niezawodnie testowane pod kątem ich funkcji regulacyjnej w wielu stabilnych transgenach u danio pręgowanego, a ich zasięg genomowy oszacowano z pewnością, wykorzystując zachowanie syntenii i gęstość HCNE wzdłuż tych loci. HCNE zarówno człowieka, jak i danio pręgowanego funkcjonują jako specyficzne wzmacniacze rozwojowe u danio pręgowanego. Pokazujemy, że ludzkie HCNE powodują we wzorcach ekspresji u danio pręgowanego równoważnych z tymi u myszy, ustanawiając zebrafish jako odpowiedni model do testowania na dużą skalę ludzkich wzmacniaczy rozwojowych. wzmacniaczy. Ortologiczne ludzkie i zebrafish enhancery przeszły funkcjonalną ewolucję ewolucję funkcjonalną w obrębie ich sekwencji i często kierowały pokrewnymi, ale nieidentycznymi wzorcami ekspresji. wzorcami ekspresji. Pomimo odległości ewolucyjnej wynoszącej 450 milionów lat, jeden pax6 HCNE kierował ekspresją w identycznych obszarach, porównując zebrafish i ludzkie HCNE. HCNE z tego samego obszaru często napędzają nakładające się wzorce, co sugeruje, że że do osiągnięcia solidnych i precyzyjnych złożonych wzorców ekspresji złożonych wzorców ekspresji wykazywanych przez geny rozwojowe. --- Konserwacja sekwencji była tradycyjnie wykorzystywana jako środek do ukierunkowania funkcjonalnych regionów złożonych genomów. Oprócz jego zastosowania w identyfikacji regionów kodujących genów, niedawna dostępność danych całego genomu dla kręgowców pozwoliła na analizy o wysokiej rozdzielczości niekodującej "ciemnej materii" genomu. Doprowadziło to do identyfikacji dużej liczby liczba wysoce konserwatywnych elementów sekwencji, które wydają się być zachowane we wszystkich kręgowców kostnych. Dalsza analiza pozycyjna tych zachowanych niekodujących elementów (CNE) w genomie pokazuje, że skupiają się one wokół genów zaangażowanych w regulację rozwoju. Niniejszy rozdział opisuje identyfikację i charakterystykę tych elementów, ze szczególnym uwzględnieniem ich skład i organizację. --- TŁO: Synapsa neuronalna jest podstawową jednostką funkcjonalną w ośrodkowym układzie nerwowym zwierząt. układzie nerwowym zwierząt. Ponieważ funkcja synaptyczna jest ewolucyjnie ewolucyjnie, uznaliśmy, że funkcjonalne sekwencje genów i powiązanych genomów elementy, o których wiadomo, że odgrywają ważną rolę w uwalnianiu neuroprzekaźników, również byłyby również zachowane. WYNIKI: Analiza tempa ewolucji ujawniła, że białka presynaptyczne ewoluują powoli powoli, chociaż niektórzy członkowie dużych rodzin genów wykazują przyspieszone tempo ewolucji w stosunku do innych członków rodziny. przyspieszone tempo ewolucji w stosunku do innych członków rodziny. Porównawcza sekwencja analiza 46 megabaz danych obejmujących 150 genów presynaptycznych zidentyfikowała ponad 26 000 elementów, które są wysoce konserwatywne u ośmiu gatunków kręgowców, a także a także niewielki podzbiór sekwencji (6%), które są wspólne dla niespokrewnionych genów presynaptycznych. presynaptycznych. Analiza dużych rodzin genów wykazała, że regiony upstream i intronic blisko spokrewnionych członków rodziny są niezwykle rozbieżne. Zidentyfikowaliśmy również zidentyfikowaliśmy 504 wyjątkowo długie konserwowane elementy (> lub =360 par zasad, > lub =80% identyczności par między człowiekiem a innymi ssakami) w regionach międzygenowych i intronowych regionach genów presynaptycznych. Wiele z tych elementów tworzy wysoce stabilną strukturę pętli macierzystej RNA i w konsekwencji są kandydatami na nowe elementy regulacyjne. elementy regulacyjne, podczas gdy wykazano, że niektóre konserwowane elementy niekodujące korelują z określonymi profilami ekspresji genów. Internetowa baza danych SynapseDB integruje te odkrycia i inne funkcjonalne zasoby genomowe dla genów synaptycznych. genów synaptycznych. WNIOSEK: Wysoce konserwatywne elementy w regionach niekodujących białek 150 presynaptycznych genów reprezentują sekwencje, które mogą być zaangażowane w transkrypcyjną lub potranskrypcyjną regulację tych genów. Ponadto, porównawcza analiza sekwencji ułatwi wybór genów i sekwencji niekodujących sekwencji do przyszłych badań funkcjonalnych i analizy zmienności w badaniach neurorozwojowych i psychiatrycznych. w zaburzeniach neurorozwojowych i psychiatrycznych. --- Porównania genomów ryb i ssaków okazały się skuteczne w identyfikowaniu zachowanych niekodujących elementów, które mogą mieć charakter cis-regulacyjny, a większość z nich tych testowanych in vivo wykazano, że działają jako specyficzne dla tkanki wzmacniacze związanych z genami zaangażowanymi w transkrypcyjną regulację rozwoju. Chociaż większość z tych elementów ma niewielką identyczność sekwencji, niewielka liczba niewielka liczba jest niezwykle podobna i wydaje się być produktem duplikacji zdarzeń. Tutaj szukaliśmy zduplikowanych konserwatywnych elementów niekodujących w genomie ludzkim genomie, używając porównań z Fugu, aby wybrać przypuszczalne sekwencje cis-regulacyjne. sekwencje. Zidentyfikowaliśmy 124 rodziny zduplikowanych elementów, z których każda zawierała od dwóch do pięciu członków, które są wysoce konserwatywne w genomach kręgowców i pomiędzy nimi. genomów kręgowców. W 74% przypadków byliśmy w stanie przypisać określony zestaw paralogicznych genów z adnotacjami odnoszącymi się do regulacji transkrypcji i/lub rozwoju do każdej rodziny, usuwając w ten sposób wiele niejasności w identyfikacji powiązanych genów. Stwierdziliśmy, że zduplikowane elementy mogą potencjalnie zwiększać ekspresję genów reporterowych w sposób specyficzny dla tkanki i że domeny ekspresji często nakładają się, ale niekoniecznie są identyczne, między członkami rodziny. Ponad dwie trzecie rodzin jest konserwowanych w duplikatach u ryb rybach i wydają się poprzedzać wydarzenia duplikacji na dużą skalę, o których uważa się, że wystąpiły u początków kręgowców. Proponujemy model, w którym duplikacja genów duplikacja genów i ewolucja elementów cis-regulacyjnych mogą być rozpatrywane w kontekście zwiększonej różnorodności morfologicznej i pojawienia się współczesnego planu ciała kręgowców. kręgowców. --- Genomowe bloki regulatorowe to regiony chromosomalne obejmujące długie skupiska wysoce konserwatywnych niekodujących elementów poświęconych dalekosiężnej regulacji genów rozwojowych, często unieruchamiając inne, niepowiązane geny w długotrwałe układy synteniczne. Synorth http://synorth.genereg.net/ jest zasobem internetowym służącym do odkrywania i kategoryzowania relacji syntenicznych w genomowych blokach regulacyjnych w wielu genomach, śledząc ich ewolucyjny los po duplikacji całego genomu teleostów duplikacji całego genomu na poziomie genomowych bloków regulacyjnych, poszczególnych genów i ich kontekstu filogenetycznego. --- Kręgowiec Lhx2 jest członkiem rodziny czynników transkrypcyjnych LIM homeobox. czynników transkrypcyjnych. Jest niezbędny do prawidłowego rozwoju przodomózgowia, oka, układu węchowego i wątroby, a także do różnicowania komórek limfoidalnych. Jednakże, pomimo wysoce ograniczonego przestrzenno-czasowego wzorca ekspresji Lhx2, nic nie wiadomo o jego regulacji transkrypcyjnej. U ssaków i kurczaka, Crb2, Dennd1a i Lhx2 stanowią konserwatywny blok sprzężenia, podczas gdy Dennd1a jest utracony w locus Lhx2 fugu. Aby zidentyfikować funkcjonalne wzmacniacze Lhx2, przewidzieliśmy konserwatywne elementy niekodujące (CNE) w ludzkim, mysim i fugu Crb2-Lhx2 i zbadaliśmy ich funkcję u transgenicznych myszy w E11.5. Cztery z ośmiu testowanych konstruktów CNE funkcjonowały jako tkankowo-specyficzne wzmacniacze w określonych regionach ośrodkowego układu nerwowego i zwojach korzenia grzbietowego (DRG), odtwarzając częściowe i nakładające się wzorce ekspresji wzorce ekspresji genów Lhx2 i Crb2. Występowało znaczne nakładanie się domen domenach ekspresji CNE, co sugeruje, że CNE są albo nadmiarowymi wzmacniaczami lub regulują różne geny w locus. Używając dużego zestawu CNE (810 CNE) związanych z genami kodującymi czynniki transkrypcyjne, które ulegają ekspresji głównie w ośrodkowym układzie nerwowym, przewidzieliśmy cztery nadreprezentowane 8-merowe motywy, które mogą być związane z ekspresją w ośrodkowym układzie nerwowym. w ośrodkowym układzie nerwowym. Mutacja jednego z nich w CNE, który napędzał ekspresję reportera w cewie nerwowej. ekspresję reportera w cewie nerwowej i DRG zniosła ekspresję w obu domenach domenach, wskazując, że motyw ten jest niezbędny do ekspresji w tych domenach. Niepowodzenie czterech funkcjonalnych enhancerów w odtworzeniu pełnego wzoru ekspresji wzoru ekspresji Lhx2 w E11.5 wskazuje, że muszą istnieć inne enhancery Lhx2 które znajdują się poza badanym regionem lub są rozbieżne u ssaków i ryb. u ssaków i ryb. Inne podejścia, takie jak porównanie sekwencji między ssakami są wymagane do identyfikacji i scharakteryzowania takich enhancerów. --- Genomy Metazoan zawierają tablice wysoce konserwatywnych elementów niekodujących (HCNE) które obejmują rozwojowe geny regulatorowe i definiują domeny regulacyjne. Opisujemy opisujemy Ancora http://ancora.genereg.net, zasób internetowy, który zapewnia dane i narzędzia do badania genomowej organizacji HCNE dla wielu genomów. Ancora zawiera przeglądarkę genomu, która pokazuje lokalizacje HCNE i oferuje nowe wykresy gęstości HCNE jako potężne narzędzie do odkrywania rozwojowych genów regulatorowych i rozróżniania ich elementów regulacyjnych i domen.
Który proces jest najczęściej regulowany przez konserwowane elementy niekodujące?
Zachowane elementy niekodujące odgrywają fundamentalną rolę w regulacji rozwoju zwierząt