Wykorzystanie podejścia genomiki porównawczej do rekonstrukcji losu genomowych bloków regulatorowych (GRB) bloków regulacyjnych (GRB) i zidentyfikowania pozostałości egzonicznych, które przetrwały zniknięcie ich genów gospodarza po duplikacji całego genomu (WGD) w teleostów, odkrywamy zestaw 38 kandydujących kodujących egzonów cis-regulacyjnych (RCE) z przewidywanymi genami docelowymi. Elementy te wykazują ewolucyjną separację nakładających się informacji kodujących białka i regulacyjnych po WGD u teleostów. Przedstawiamy dowody na to, że odpowiadające im eksony ssaków nadal podlegają zarówno selekcji kodujące i niekodujące, są bardziej konserwowane niż inne eksony kodujące białko w genie gospodarza. kodujące białka w genie gospodarza i kilku zestawach kontrolnych, a także mają kluczowe cechy z wysoce konserwatywnymi elementami niekodującymi w tych samych regionach. Ich podwójną funkcję potwierdzają istniejące dane eksperymentalne. Dodatkowo, pokazujemy przykłady ludzkich pozostałości eksonów pochodzących z 2R WGD kręgowców. Nasze odkrycia sugerują, że dalekozasięgowe wejścia cis-regulacyjne dla genów rozwojowych nie ograniczają się do regionów niekodujących, ale mogą również nakładać się na sekwencję kodującą niepowiązanych genów. Zatem egzoniczne elementy regulacyjne w GRB mogą być funkcjonalnie równoważne z tymi w regionach niekodujących, wzywając do ponownej oceny przestrzeni sekwencji, w której można szukać elementów regulacyjnych dalekiego zasięgu i eksperymentalnie testować ich aktywność. i eksperymentalnie przetestować ich aktywność. --- Przedstawiamy dowody na istnienie mechanizmu utrzymywania konserwatywnej syntenii w genomach kręgowców. Stwierdziliśmy, że największe zachowane segmenty chromosomów ssaków i teleostów segmenty chromosomalne, które obejmują wysoce konserwatywne elementy niekodujące (HCNE), ich docelowe geny regulujące rozwój oraz filogenetycznie i funkcjonalnie niepowiązane geny "postronne". Geny pomocnicze nie są specjalnie pod kontrolą elementów regulatorowych, które napędzają geny docelowe i są wyrażane we wzorcach, które różnią się od wzorców genów docelowych. Wstawki reporterowe dystalnie do rozwojowych genów regulatorowych pax6.1/2, rx3, id1 i fgf8 oraz genów miRNA mirn9-1 i mirn9-5 odtwarzają wzorce ekspresji tych genów, nawet jeśli wzorce ekspresji tych genów, nawet jeśli znajdują się wewnątrz lub poza geny, sugerując, że domena regulacyjna rozwojowego genu regulacyjnego może rozciągać się na sąsiednie jednostki transkrypcyjne i poza nie. Określiliśmy te segmenty chromosomalne genomowymi blokami regulacyjnymi (GRB). Po duplikacji całego genomu u teleostów, GRB, w tym HCNE i geny docelowe, były często zachowane w obu kopiach, podczas gdy geny postronne były zwykle tracone z jednego GRB, co silnie sugeruje, że presja ewolucyjna działa na utrzymanie pojedynczej kopii GRB u wyższych kręgowców. Pokazujemy, że utrata genów pomocniczych i innych zdarzeń mutacyjnych, których doświadczyły zduplikowane GRB w genomach teleostów, pozwala na identyfikację genu docelowego i przypisanie HCNE/genu docelowego. Te odkrycia wyjaśniają brak ewolucyjnych punktów przerwania w dużych segmentach chromosomów kręgowców segmentów chromosomalnych kręgowców i pomogą w rozpoznaniu mutacji z efektem pozycji mutacji w ludzkich GRB. --- Kolejność genów w genomach eukariotycznych została ogólnie przyjęta jako neutralna. neutralna, ponieważ kolejność genów jest w dużej mierze zmieniona w czasie ewolucji. Znanych jest tylko znanych jest tylko kilka wyjątkowych przykładów, zwykle obejmujących głęboko konserwowane klastry tandemowo zduplikowanych genów. klastry tandemowo zduplikowanych genów (np. geny Hox i histony). Tutaj my zgłaszamy pierwsze systematyczne badanie zachowania mikrosyntenii u metazoanów, wykorzystując sekwencje 17 genomów. Zidentyfikowaliśmy prawie 600 par niespokrewnionych genów, które pozostały ściśle fizycznie powiązane w różnych liniach przez ponad 600 milionów lat ewolucji. Integracja zachowania sekwencji, dane dotyczące ekspresji genów, funkcji genów, znaczników epigenetycznych i innych cech genomicznych cechy, dostarczamy obszernych dowodów na to, że wiele zachowanych starożytnych powiązań wiąże się z (1) skoordynowaną transkrypcją sąsiednich genów lub (2) genomowymi bloki regulacyjne (GRB), w których wzmacniacze transkrypcyjne kontrolujące geny rozwojowe są zawarte w pobliskich genach pomocniczych. Ponadto wygenerowaliśmy dane ChIP-seq dla kluczowych modyfikacji histonów w zarodkach danio pręgowanego, co dostarczyło dalszych dowodów na istnienie domniemanych GRB w rozwoju embrionalnym. Wreszcie, przy użyciu testów wychwytywania konformacji chromosomów (3C) i stabilnych eksperymentów transgenicznych eksperymenty, wykazujemy, że wzmacniacze w genach osób postronnych napędzają ekspresję genów takich jak ekspresję genów takich jak Otx i Islet, krytycznych regulatorów rozwoju ośrodkowego układu nerwowego u bilateralnych rozwoju ośrodkowego układu nerwowego u bilateralnych. Wyniki te sugerują, że starożytne genomowe powiązania funkcjonalne są znacznie bardziej powszechne niż wcześniej zaangażowanych w ∼12% genomu przodków bilateralnych - i że ograniczenia cis-regulacyjne są kluczowe w określaniu architektury genomu metazoan metazoicznych. --- Genomy owadów zawierają większe bloki zachowanej kolejności genów (mikrosynteza) niż niż można by oczekiwać na podstawie losowego modelu ewolucji chromosomów. My przedstawiamy dowody na to, że mikrosynteza została zachowana, aby utrzymać duże tablice wysoce konserwatywnych elementów niekodujących (HCNE). Tablice te obejmują kluczowe rozwojowe geny regulatorowe, tworząc genomowe bloki regulatorowe (GRB). My niedawno opisaliśmy GRB u kręgowców, gdzie większość HCNE funkcjonuje jako wzmacniacze a tablice HCNE określają złożone programy ekspresji genów docelowych. Tutaj przedstawiamy porównanie pięciu genomów Drosophila, pokazując, że gęstość HCNE osiąga szczyt centralnie w dużych blokach syntenicznych zawierających wiele genów. Oprócz regulatorów rozwoju, które są prawdopodobnymi celami enhancerów HCNE, tablice HCNE często obejmują niepowiązane sąsiednie geny. Opisujemy różnice w rdzeniu między genami docelowymi a niespokrewnionymi genami, które oferują wyjaśnienie różnic w ich reaktywności na enhancery. Pokazujemy przykłady uderzającej zgodności między granicami bloków syntenii, tablicami HCNE i regionami wiązania Polycomb, potwierdzając, że bloki syntenii odpowiadają domenom regulatorowym. Chociaż kilka niekodujących elementów jest wysoce zachowanych między Drosophila i komarem malarii Anopheles gambiae, stwierdzamy, że regiony że regiony A. gambiae ortologiczne do GRB Drosophila zawierają równoważny rozkład niekodujących elementów wysoce konserwatywnych u komara żółtej febry Aëdes aegypti i pokrywają się z regionami starożytnej mikrosyntezy między Drosophila i komarami. Strukturalna i funkcjonalna równoważność między GRB owadów i kręgowców oznacza je jako starożytną cechę genomów metazoicznych oraz jako klucz do przyszłych badań nad rozwojem i regulacją genów. --- Geny rozwojowe są regulowane przez złożone, oddalone od siebie cis-moduły regulacyjne (CRM), często tworzące genomowe bloki regulacyjne (GRB). moduły (CRM), często tworzące genomowe bloki regulacyjne (GRB), które są zachowane wśród kręgowców i owadów. Zbadaliśmy GRBs związane z genami homeobox Iroquois u 39 metazoanów. Pomimo 600 milionów lat lat niezależnej ewolucji, geny Iroquois są powiązane z zawierającymi powtórzenia ankyryny genami Sowah u prawie wszystkich badanych bilaterali. Pokazujemy że CRM specyficzne dla Iroquois zasiedlają locus Sowah, sugerując, że ograniczenia regulacyjne ograniczenia leżą u podstaw utrzymania bloku syntenicznego Iroquois-Sowah. Co zaskakujące, ortologi Sowah tetrapodów są pozbawione intronów i nie są związane z Iroquois; jednak dane teleostów i rekinów słoniowych pokazują, że jest to cecha pochodna cecha pochodna i że wiele Iroquois-CRM było ancestrally zlokalizowanych w intronach intronów Sowah. Retropozycja, duplikacja genów i genomu pozwoliły na selektywną eliminację eksonów Sowah z krajobrazu regulacyjnego Iroquois przy jednoczesnym zachowaniu powiązanych CRM, co doprowadziło do powstania dużych powiązanych pustyń genowych. Te wyniki podkreślają znaczenie CRM w nakładaniu ograniczeń na architekturę genomu architektury genomu, nawet na dużych odległościach filogenetycznych, oraz genów redundancji genetycznej, w której pośredniczy duplikacja genów, aby rozdzielić te ograniczenia, zwiększając plastyczność genomu. --- Badania asocjacyjne obejmujące cały genom zidentyfikowały niekodujące SNP związane z cukrzycą i otyłością typu 2 cukrzycą i otyłością w blokach nierównowagi sprzężeń (LD) obejmujących HHEX-IDE oraz introny CDKAL1 i FTO [Sladek R, et al. (2007) Nature 445:881-885; Steinthorsdottir V, et al. (2007) Nat. Genet 39:770-775; Frayling TM, et al. (2007) Science 316:889-894]. Pokazujemy, że te bloki LD zawierają wysoce elementy niekodujące i pokrywają się z genomowymi blokami regulatorowymi genów czynników transkrypcyjnych HHEX, SOX4 i IRX3. Donosimy, że ludzkie wysoce konserwowane elementy niekodujące w LD z SNP ryzyka napędzają ekspresję w endodermie lub trzustce u transgenicznych myszy i danio pręgowanego. Zarówno HHEX, jak i SOX4 zostały ostatnio zaangażowane w rozwój trzustki i regulację wydzielania insuliny. wydzielanie insuliny, ale IRX3 nie był wcześniej powiązany z funkcją lub rozwojem trzustki. rozwój. Zablokowanie jego ortologa u danio pręgowanego, irx3a, zwiększyło liczbę liczbę komórek epsilon produkujących grelinę w trzustce i zmniejszyło liczbę komórek beta produkujących insulinę. komórek beta produkujących insulinę i komórek alfa produkujących glukagon, tym samym sugerując bezpośredni związek funkcji IRX3 trzustki zarówno z otyłością, jak i cukrzycą typu 2 cukrzycą. --- Ekran wykrywania enhancerów na dużą skalę przeprowadzono u danio pręgowanego przy użyciu wektora retrowirusowego retrowirusowego wektora niosącego podstawowy promotor i kasetę reporterową białka fluorescencyjnego białko fluorescencyjne. Analiza insercyjnych hotspotów ujawniła obszary wokół rozwojowych genów regulatorowych rozwojowych, w których insercja powoduje ten sam globalny wzorzec ekspresji, niezależnie od dokładnego położenia. niezależnie od dokładnej pozycji. Obszary te pokrywają się z segmentami chromosomów kręgowców kręgowców segmentami chromosomalnymi zawierającymi identyczną kolejność genów; zjawisko znane jako zjawisko znane jako zachowana syntenia i uważane za pozostałość ewolucji. Genomiczne badania porównawcze badania wykazały dużą liczbę wysoce konserwatywnych elementów niekodujących (HCNE) obejmujących te i inne loci. Uważa się, że HCNE działają jako transkrypcyjne transkrypcji w oparciu o odkrycie, że wiele z tych, które zostały przetestowane bezpośrednio ekspresję specyficzną dla tkanki w testach przejściowych lub transgenicznych. Chociaż kolejność genów w hox i innych klastrach genów od dawna wiadomo, że jest zachowana z powodu wspólnych sekwencji regulatorowych lub nakładających się jednostek transkrypcyjnych, obszary chromosomalne obszary chromosomalne znalezione przez hotspoty insercyjne zawierają tylko jeden lub kilka geny regulujące rozwój, a także geny niepowiązane filogenetycznie. My nazwaliśmy te regiony genomowymi blokami regulacyjnymi (GRB) i wykazaliśmy, że leżą u podstaw zjawiska konserwatywnej syntenii we wszystkich sekwencjonowanych genomach kręgowców. kręgowców. Po duplikacji całego genomu teleostów, podzbiór GRBs został zachowany w dwóch kopiach, przeszedł zmiany degeneracyjne w porównaniu z loci tetrapodów, które istnieją jako pojedyncza kopia, a zatem mogą być postrzegane jako reprezentujące formę przodków. Omawiamy te odkrycia w świetle ewolucji architektury chromosomalnej kręgowców kręgowców i identyfikacji ludzkich mutacji chorobowych. --- 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. --- Pomimo niedawnej eksplozji w produkcji danych dotyczących sekwencji genomu kręgowców kręgowców i zakrojonych na szeroką skalę wysiłków zmierzających do pełnej adnotacji ludzkiego genomu, wciąż mamy niewielką wiedzę na temat zasad, które zbudowały genomy kręgowców w procesie ewolucji, oraz architektury genomu i jego znaczenia funkcjonalnego. Dokonujemy przeglądu podejść wykorzystujące bioinformatykę, transgenezę danio pręgowanego i ostatnie odkrycia w molekularnych podstawach regulacji genów. molekularnych podstaw regulacji genów i wiążemy je z mechanizmami mechanizmami utrzymywania konserwatywnej syntenii dalekiego zasięgu we wszystkich genomach kręgowców. W szczególności omawiamy niedawno odkryte genomowe bloki regulacyjne, które są głównymi jednostkami ewolucji genomu kręgowców i służą jako fundamenty, na których ewolucyjne innowacje są budowane poprzez sekwencję ewolucję i wprowadzanie nowych elementów cis-regulacyjnych. Następnie omówimy jak te układy odnoszą się do powszechnych ludzkich chorób dziedzicznych i ich znaczenie w przyczynowości chorób. --- MOTYWACJA: Analiza kontekstu genomowego, znana również jako profilowanie filogenetyczne, jest szeroko stosowana do wnioskowania o funkcjonalnych interakcjach między białkami, ale rzadko stosowana do niekodujących cis-regulacyjnych elementów DNA. Zastanawialiśmy się, czy to podejście podejście może zapewnić wgląd w niekodujące elementy niekodujące (UCNE). Elementy te są zorganizowane jako duże skupiska, tak zwane bloki regulacyjne genów (GRB) bloki regulacyjne genów (GRB) wokół kluczowych genów rozwojowych. Ich funkcje molekularne funkcje molekularne i przyczyny ich wysokiego stopnia zachowania pozostają enigmatyczne. enigmatyczne. WYNIKI: W specjalnym otoczeniu analizy kontekstu genomowego przeanalizowaliśmy losy GRB po duplikacji całego genomu w pięciu genomach ryb. Stwierdziliśmy że w większości przypadków wszystkie UCNE zostały zachowane razem jako pojedynczy blok, podczas gdy odpowiadające im geny docelowe były często zachowywane w dwóch kopiach, z których jedna była całkowicie całkowicie pozbawione UCNE. Ten wzór "zwycięzca bierze wszystko" sugeruje, że UCNE GRB funkcjonują w wysoce kooperatywny sposób. Proponujemy, aby mnogość interakcji między UCNE jest powodem ich ekstremalnej sekwencji sekwencji. INFORMACJE UZUPEŁNIAJĄCE: Dane uzupełniające są dostępne w Bioinformatics online oraz na stronie http://ccg.vital-it.ch/ucne/
Jak definiowane są GRB (Genomic Regulatory Blocks)?
Genomowe bloki regulacyjne (GRBs) to regiony chromosomalne obejmujące wysoce konserwatywne elementy niekodujące (HCNE), z których większość służy jako wejścia regulacyjne jednego genu docelowego w regionie. Geny docelowe są najczęściej czynnikami transkrypcyjnymi zaangażowanymi w rozwój embrionalny i różnicowanie. GRB często zawierają rozległe pustynie genowe, a także dodatkowe geny "postronne" splecione z HCNE, ale których ekspresja i funkcja nie są związane z genami docelowymi.