TE kot regulatorji transkripcije

Uvod

Transpozicijski elementi (TE), ki sestavljajo velik del evkariontskega genoma, lahko, če se nahajajo v eksonskih predelih gostiteljevega genskega zapisa, bistveno zmanjšajo njegovo evolucijsko sposobnost preživetja, ker delujejo moteče (lahko povzročijo npr. vstavitev start in stop kodonov, premik bralnega okvirja, prehitro terminacijo transkripcije,…). S tem zmanjšajo tudi verjetnost za lasten prenos v nove generacije. Ker TE po delovanju spominjajo na parazitski organizem, so se skozi evolucijo razvile strategije, ki preprečujejo preveliko škodo na gostiteljskem organizmu. Prilagajanje je potekalo vzajemno. Gostiteljski organizmi so npr. postali sposobni utišanja transpozicijskih elementov s pomočjo metilacije DNA na CpG otočkih, TE pa so se preferenčno vključevali v intronska zaporedja, saj tam ne delujejo tako moteče. Skozi čas so gostiteljski organizmi postali sposobni uporabe TE v svojo korist. Vključitve transpozicijskih elementov v nekodirajoče predele genskega zapisa in njihove mutacije so v veliko primerih povzročile, da so TE izgubili sposobnost transponiranja, pridobili pa so cis in trans-regulatorno aktivnost. Cis-regulatorne regije (CRE) so nekodirajoča zaporedja nukleotidov, ki regulirajo ekspresijo genov na isti verigi DNA. Trans regulacija pa pomeni predvsem to, da npr. transkripcijski faktorji prihajajo od drugod oz. so kodirani na eni molekuli DNA, regulirajo pa ekspresijo genov na drugi molekuli DNA. Regulacija transkripcije s TE lahko poteka na več načinov:

1. V genski zapis lahko vnašajo nova vezavna mesta za transkripcijske faktorje (TF) preko promotorjev, ojačevalcev, utiševalnih in izolatorskih zaporedij.
2. Lahko modulirajo 3D strukturo kromatina.
3. Zmožni so kodiranja transkripcijskih faktorjev.
4. S povezovanjem z represorskimi transkripcijskimi faktorji vplivajo na utišanje sosednjih genov.
5. Imajo vlogo pri regulatornih nekodirajočih molekulah RNA, ki so pomembni regulatorji transkripcije.

Funkcije transpozicijskih elementov v cis-regulatornih regijah

Regulatorne sposobnosti cis-regulatornih regij lahko izhajajo iz transpozicijskih elementov. V splošnem cis-regulatorne regije delujejo tako, da tvorijo specifična vezavna mesta za proteine povezane z iniciacijo in regulacijo transkripcije. Primeri nekaterih vrst CRE:

1. Promotorji so kratka zaporedja DNA, ki vključujejo začetno mesto transkripcije. Ob vezavi ustreznih transkripcijskih faktorjev na promotorsko regijo omogočijo transkripcijo gena. Kot primer bi omenil transpozon AluSp v promotorju gena FCER1G, ki inducira transkripcijo visokoafinitetnega receptorja za Fc regijo IgE.
2. Ojačevalci so zaporedja, ki jih najdemo pred ali za genom, ki ga regulirajo. Delujejo kooperativno s promotorjem, in sicer tako, da povečajo stopnjo transkripcije, omogočajo pa regulacijo tudi bolj oddaljenih genov. Kot primer bi omenil transpozon AluY v intronu gena CD8 (ta kodira glikoprotein CD8, ki je pomemben pri celičnih interakcijah znotraj imunskega sistema), za katerega so ugotovili, da deluje kot ojačevalec.
3. Utiševalna zaporedja vežejo represorje in tako preprečujejo transkripcijo. Transpozicijski elementi so z rekrutiranjem transkripcijskih faktorjev postali sposobni delovati kot utiševalna zaporedja, ki remodelirajo kromatin. Čeprav so heterokromatinski deli revni z geni, so bogati s TE-ji, kar bi lahko pomenilo, da imajo transpozicijski elementi pomembno vlogo pri širjenju heterokromatina. Tako se npr. korepresorski protein TRIM28 veže na vezavno mesto, ki se nahaja na transpozonu ERV in s tem utiša sosednje gene.
4. Inzulatorji ščitijo gene pred regulatornimi vplivi sosednjih genov. Lahko blokirajo promotorje, ojačevalce in utiševalce. Preprečujejo neprimerne interakcije med sosednjimi kromatinskimi regijami. Kot primer bi omenil gen za transpozon AluSq, ki deluje kot inzulator, saj njegova transkripcija ščiti človeški gen HBE1 (ki kodira za istoimenski protein) pred regulacijo z drugimi promotorji.

TE-ji uvajajo nova vezavna mesta za TF, ki so v njih lahko prisotna takoj po inserciji v genom ali pa nastanejo de novo s postinsercijskimi mutacijami. Pogosto se mutacije pojavljajo na metiliranih CpG otočkih. Deaminacija teh povzroči zamenjavo citozina z gvaninom, kar je med drugim povzročilo nastanek številnih vezavnih mest za transkripcijska faktorja cMyc in p53. Vključitev TE-jev zraven že obstoječega vezavnega mesta za transkripcijske faktorje ter točkovne mutacije omogočijo nastanek novih mest za vezavo TF (alternativni promotorji), kar povzroča zaščito pred možnimi kasnejšimi mutacijami z redundančnostjo. Redundanca dopušča tudi kooperativno delovanje z zunanjimi promotorji, saj se lahko tako razbremenijo določena vezavna mesta za transkripcijske faktorje.

Vpliv transpozicijskih elementov na kromatinsko 3D strukturo

V interfaznem jedru so deli genoma organizirani v topološko asociirajoče domene (TAD). To so večje domene kromatina, ki so med seboj ločene z izolatorskimi proteini. Ti omejujejo prostor, v katerem lahko različni deli DNA prihajajo v medsebojne stike. Njihova naloga je tudi prostorsko omejevanje interakcij med transkripcijskimi faktorji in ojačevalci ter promotorji. TAD specificirajo funkcije cis regulatornih regij z omejevanjem ojačevalcev, tako da ti aktivirajo le promotorje znotraj iste TAD. Vloga transpozicijskih elementov (TE) pri 3D arhitekturi genoma se je v zadnjih letih začela intenzivno raziskovati. Številne družine TE so namreč obogatene na mejah TAD. Določeni TE naj bi imeli preko tega tudi vlogo pri zvijanju kromosomov, prav tako pa tudi pri kompaktnosti kromatina in posledično tudi pri regulaciji procesov transkripcije. Kot primer pomena transpozicijskih elementov bi izpostavil študijo, ki je odkrila veliko HERV-H na mejah TAD v človeških embrionalnih matičnih celicah (hESCs) in delecija 2 individualnih HERV-H je vodila do izgube kompaktnosti te meje.

Protein CTCF (11-zinc finger protein) je pomemben pri regulaciji 3D strukture kromatina in procesov transkripcije. Zelo pomemben je pri strukturi mej TAD. Vsebuje motive cinkovega prsta in deluje kot transkripcijski faktor. Sodeluje pri mediaciji nastanka kromatinskih zank in se velikokrat veže na TE. Opaženo je bilo, da so TE razpršili veliko vezavnih mest za protein CTCF in smiselno bi bilo, da bi se tudi meje TAD razpršile, vendar je bilo ugotovljeno, da so te zelo ohranjene. Odkrili so različne mehanizme preprečevanja tvorbe ektopičnih meja TAD. Tako se npr. transpozoni B2SINE, ki imajo veliko vezavnih mest za protein CTCF, lahko povežejo s kompleksom ChAHP, ki torej prepozna isti motiv kot CTCF, a z višjo afiniteto.

Kodiranje transkripcijskih faktorjev s transpozicijskimi elementi

Šele nedavno so prišli do dognanj, da proteini, za katere kodirajo transpozicijski elementi, lahko vplivajo na regulacijo genov. Najdeni so bili številni primeri, v katerih gen za TE kodira transpozazo in hkrati tudi gostiteljski transkripcijski faktor. Fuzija transpozazne DNA-domene z regulatorno domeno transkripcijskega faktorja privede do tvorbe proteinskega kompleksa, ki je sposoben prepoznave ustreznega zaporedja TE na DNA, ker transpozaza prepozna transpozicijski element. Tako se lahko optimizira regulacija ekspresije genov s pomočjo TE.

Utišanje transpozicijskih elementov in pomen le-tega pri regulaciji transkripcije

Organizmi so razvili zmožnost zmanjšanja aktivnosti transpozicijskih elementov, prav tako pa so transpozicijski elementi zmožni obiti gostiteljevo obrambo. Eden od načinov utišanja delovanja TE je metilacija DNA. Demetilacija TE lahko vodi do nepravilne aktivacije sosednjih genov zaradi ojačevalnega potenciala TE. Zato so gostitelji morali razviti mehanizem, ki to kontrolira. Pomemben utiševalni mehanizem TE je metilacija CpG otočkov na DNA. Primer povezave med metilacijo DNA in aktivnostjo iz TE izhajajočih cis regulatornih regij je gen Agouti. Ta daje rjavo obarvanim mišim C57BL/6J rumeno obarvanje na način, ki je odvisen od ravni metilacije promotorja, ki nadzoruje transkripcijo retrotranspozonov IAP. Retrotranspozon IAP pa nadzira ekspresijo gena Agouti in s tem obarvanje miši. Drug mehanizem utišanja TE so histonske modifikacije. Primer te epigenetske modifikacije je trimetilacija lizina 9 na histonu H3 (H3K9me3). Pomembno vlogo pri tem ima kompleks HUSH (human silencing hub complex). ATPaza MORC2 in HUSH se povežeta in posledično pride do trimetilacije na histonu 3 na retrotranspozonu LINE1 in tako se retrotranspoznon utiša. LINE1 se nahaja v intronih aktivnih genov. Če so ti trimetilirani, potem se RNA polimeraza II ne more pomikati naprej (motena je elongacija transkripcije), zato se geni ne prepisujejo.

Transpozicijski elementi in njihova vloga pri regulatornih nekodirajočih molekulah RNA

Zaradi napredka v določanju nukleotidnega zaporedja molekul RNA se v zadnjih letih odkriva vedno več nekodirajočih molekul RNA (ncRNA). Te vključujejo tudi regulatorne RNA, med katere spadajo kratke nekodirajoče RNA (sncRNA) in dolge nekodirajoče RNA (lncRNA). Transpozicijski elementi (TE) in regulatorne RNA so tesno povezani, saj velik del nukleotidnega zaporedja regulatornih RNA in njihovih genov ter regulatornih regij predstavljajo TE. Transpozicijski elementi določajo funkcionalne lastnosti različnih tipov ncRNA, kar je ključno za njihovo regulatorno funkcijo pri transkripciji in posttranskripcijskih procesih.

Transpozicijski elementi dajejo strukturne značilnosti lncRNA, ki jim dajejo sposobnost interakcije z drugimi biološkimi molekulami (DNA, RNA, proteini...). lncRNA imajo lahko tako cis kot tudi trans-regulatorno aktivnost. Pojavlja se veliko hipotez, da TE dajejo funkcionalne domene lncRNA. Primer, ki potrjuje to hipotezo, je interakcija med XIST lncRNA in proteinskim kompleksom PRC2 (polycomb repressive complex 2). XIST lncRNA namreč vključuje transpozicijski element ERVB5 in ravno ta regija predstavlja vezavno mesto za PRC2. PRC2 ima vlogo pri zagotavljanju kompaktnosti kromatina, in sicer tako, da ena izmed njegovih podenot EZH2 (Enhancer of zeste homolog 2) katalizira trimetilacijo lizina 27 na histonu 3 (H3K27me1/2/3), s tem pa povzroči represijo transkripcije določenih genov. Fosforilacija EZH2 in T350 (obe sta podenoti PRC2) s CDK1/2 je ključna za interakcijo PRC2 z lncRNA, ki poteka preko G-kvadrupleskne regije lncRNA, le-ta pa je bogata s transpozoni ERVB5. XIST lncRNA pripelje proteinski kompleks PRC2 do promotorske regije tarčnega gena (npr. tumor supresorskega gena), kjer EZH2 s svojo metiltransferazno aktivnostjo deluje kot represor transkripcije. Zanimiv primer povezave med transpozicijskimi elementi in nekodirajočo RNA je regulacija odziva na toplotni šok pri miših. Ta primer kaže tudi na trans-regulatorno vlogo nekodirajoče RNA. Mišja ncRNA, ki izhaja iz retrotranspozona B2 SINE, se v normalnih pogojih veže na regulatorne regije genov, ki se odzivajo na stres, ter tako prepreči njihovo transkripcijo. Pri toplotnem šoku se aktivira protein EZH2, ki pospeši razgradnjo te ncRNA ter tako prepreči inhibicijo transkripcije genov, povezanih s stresom (EZH2 stimulira ribocimsko aktivnost same ncRNA).

Transpozicijski elementi imajo pomembno vlogo pri procesu transkripcije genov za nekodirajoče RNA, saj so vključeni v številna območja njihovih genov in regulatornih regij. Mesta na genomu, na katerih se nahajajo nukleotidna zaporedja, ki izhajajo iz transpozicijskih elementov, so prisotna tako v promotorjih kot tudi na poliA regijah genov za nekodirajoče RNA. Veliko so jih našli tudi na regijah genov za lncRNA, ki so pomembna za spajanje eksonov oz. izrezovanje intronov (splice donor, splice acceptor).

Veliko molekul miRNA (spadajo med sncRNA) z vključenimi transpozicijskimi elementi interagira s 3' koncem neprevajajoče regije tarčne mRNA (3' UTR). Preko tega procesa se utiša mRNA. Tako se npr. miR-151, ki vsebuje transpozicijske elemente LINE2, veže na molekulo mRNA, ki kodira za ATPAF1 (ATP synthase mitochondrial F1 complex assembly factor 1), in sicer tako, da se poveže s transpozoni LINE2 na 3' koncu neprevajajoče regije tarčne mRNA.

Vedno bolj se odkriva tudi vloga transpozicijskih elementov pri tvorbi stabilnejših sekundarnih struktur v nekodirajočih RNA. Raziskava, ki je primerjala lncRNA z vključenimi transpozicijskimi elementi in lncRNA brez vključenih transpozicijskih elementov, je ugotovila, da lncRNA z vključenimi transpozicijskimi elementi tvorijo stabilnejše sekundarne strukture. Analizirali so tudi mesta na lncRNA, ki so vključena v bazno parjenje pri tvorbi sekundarnih struktur in ugotovili, da je okrog 82 % teh mest lociranih v Alu regijah lncRNA. Torej, Alu regije v regulatornih RNA sodelujejo pri intramolekularnem baznem parjenju, kar privede do tvorbe stabilnejših sekundarnih struktur, s tem pa tudi do večje stabilnosti nekodirajočih RNA. To jim omogoči, da lahko bolje opravljajo svoje funkcije regulacije transkripcije.