hotchpotch/wikipedia-multilingual-ir-pairs huggingface dataset:
사일런서 기능
엑손 또는 비번역 영역에 위치하는 경우 사일런서는 주로 고전적이거나 위치 의존적일 것이다. 그러나 이러한 사일런서는 전사 이전에 활동을 수행할 수 있다. 대부분의 사일런서는 유기체에서 구성적으로 발현되며, 사일런서를 억제하거나 인핸서 영역을 활성화함으로써만 유전자의 활성화를 허용한다. 이에 대한 가장 좋은 예는 REST 유전자에 의해 생성되는 신경 제한적 사일런서 인자 (NRSF)이다. REST 유전자는 신경 조직의 국소화에 필수적인 신경 유전자의 전사를 억제하기 위해 NRSF를 생성한다. 사일런서가 REST를 억제하면 NRSF도 억제되어 신경 유전자의 전사가 가능해진다.
유전자 상류에 위치한 또 다른 조절 요소는 인핸서이다. 인핸서는 유전자 발현에서 "켜짐" 스위치 역할을 하여 특정 유전자의 촉진유전자 영역을 활성화하는 반면, 사일런서는 "꺼짐" 스위치 역할을 한다. 이 두 조절 요소는 서로 반대 작용을 하지만, 두 서열 유형 모두 촉진유전자 영역에 매우 유사한 방식으로 영향을 미친다. 사일런서가 아직 충분히 식별되고 분석되지 않았기 때문에, 인핸서에 대한 광범위한 연구는 생물학자들이 사일런서의 메커니즘을 이해하는 데 도움을 주었다. 인핸서는 사일런서가 발견되는 많은 동일한 영역에서 발견될 수 있으며, 촉진유전자 상류로 수 킬로베이스 쌍 떨어진 곳이나 유전자의 인트론 내 하류에서도 발견될 수 있다. DNA 루프 형성도 인핸서가 촉진유전자와 인핸서의 근접성을 줄이기 위해 사용하는 모델 기능이다. 인핸서는 또한 전사 인자와 함께 작용하여 발현을 시작하며, 이는 억제자와 함께 작용하는 사일런서와 유사하다.
사일런서 원핵생물과 진핵생물에서
대사 조절은 진핵생물과 원핵생물에서 몇 가지 차이가 있다. 원핵생물은 유전자 발현을 조절하기 위해 세포에서 생성되는 특정 효소의 수를 변화시키는데, 이는 느린 대사 조절이다. 또한 음성 되먹임 및 다른 자리 입체성 조절과 같은 메커니즘을 통해 효소 경로를 조절하는데, 이는 빠른 대사 조절이다. 원핵생물의 유전자는 유사한 기능에 따라 오페론이라는 단위로 그룹화되며, 이는 촉진유전자와 작동유전자로 구성된다. 작동유전자는 억제자의 결합 부위이며, 따라서 진핵생물 DNA의 사일런서 영역과 동일한 기능을 한다. 억제자 단백질이 작동유전자에 결합하면 RNA 중합효소는 촉진유전자에 결합하여 오페론의 전사를 시작할 수 없다.
사일런서 원핵생물과 진핵생물에서
원핵생물 E. coli의 락토스 오페론은 락토스를 분해하는 효소를 생산하는 유전자로 구성되어 있다. 이 오페론은 원핵생물 사일런서의 한 예이다. 이 오페론의 세 가지 기능 유전자는 lacZ, lacY, lacA이다. 억제자 유전자 lacI는 다른 자리 입체성 조절을 받는 억제자 단백질 LacI를 생산한다. 이 유전자들은 LacI에 결합하는 효과인자 분자 역할을 하는 세포 내 락토스의 존재에 의해 활성화된다. 억제자가 락토스에 결합하면 작동유전자에 결합하지 않아 RNA 중합효소가 촉진유전자에 결합하여 오페론의 전사를 시작할 수 있다. 억제자의 다른 자리 입체성 부위가 락토스에 결합하지 않으면, 활성 부위가 작동유전자에 결합하여 RNA 중합효소가 lac 오페론의 유전자를 전사하는 것을 방지한다.
사일런서 원핵생물과 진핵생물에서
진핵생물은 게놈이 훨씬 크기 때문에 원핵생물과 다른 유전자 조절 방법을 가지고 있다. 진핵생물 유기체의 모든 세포는 동일한 DNA를 가지고 있지만, 유전적 전능성이라는 현상을 통해 차등 유전자 발현을 통해 특수화된다. 그러나 세포가 적절한 기능을 위한 유전자를 발현하기 위해서는 유전자가 올바른 특성을 발현하도록 면밀하게 조절되어야 한다. 진핵생물의 유전자는 전사 조절, 전사 후 조절, 번역 조절, 번역 후 조절 수준에서 조절된다. 전사 수준에서 유전자 발현은 전사 속도를 변경함으로써 조절된다. 단백질을 암호화하는 유전자에는 폴리펩타이드를 암호화하는 엑손, 단백질 번역 전에 mRNA에서 제거되는 인트론, RNA 중합효소가 결합하는 전사 시작 부위, 그리고 촉진유전자가 포함된다.
진핵생물 유전자는 상류 촉진유전자와 기초 촉진유전자라고도 불리는 핵심 촉진유전자를 포함한다. 일반적인 기초 촉진유전자는 TATA 상자로 알려진 TATAAAAAA 서열이다. TATA 상자는 TATA 상자에 결합하는 TATA 결합 단백질 (TBP)을 포함하는 전사 인자 II D (TFIID)와 TBP에 결합하는 13개의 다른 단백질을 포함하는 여러 다른 단백질과 복합체를 이룬다. TATA 상자 결합 단백질에는 DNA와 RNA 중합효소 모두에 결합하는 전사 인자 II B (TFIIB)도 포함된다.
진핵생물의 사일런서는 mRNA가 전사되지 않는 전사 수준에서 유전자 발현을 조절한다. 이러한 DNA 서열은 서열에 결합하는 전사 인자에 따라 사일런서 또는 인핸서 역할을 할 수 있으며, 이 서열의 결합은 TATA 상자와 같은 촉진유전자가 RNA 중합효소에 결합하는 것을 방지한다. 억제자 단백질은 DNA 서열에 결합하는 영역과 유전자의 촉진유전자에 조립된 전사 인자에 결합하는 영역을 가질 수 있으며, 이는 염색체 루프 형성 메커니즘을 생성할 수 있다. 루프는 사일런서를 촉진유전자와 가깝게 가져와 최적의 유전자 발현에 필요한 단백질 그룹이 함께 작동하도록 보장한다.
사일런서 변이된 사일런서, 유전 질환 및 그 영향
유기체의 뉴클레오타이드 서열이 변경될 때 유전적 돌연변이가 발생한다. 이러한 돌연변이는 개체에서 관찰 가능한 표현형적 영향뿐만 아니라 표현형적으로 감지할 수 없는 변경으로 이어진다. 이러한 돌연변이의 원인은 복제 중 오류, 자발적 돌연변이, 화학적 및 물리적 돌연변이원 (UV 및 이온화 방사선, 열)일 수 있다. 게놈에 암호화된 사일런서는 이러한 변경에 취약하며, 많은 경우 심각한 표현형적 및 기능적 이상으로 이어질 수 있다. 일반적으로 사일런서 요소 또는 영역의 돌연변이는 사일런서 작용의 억제 또는 필요한 유전자의 지속적인 억제로 이어질 수 있다. 이는 원치 않는 표현형의 발현 또는 억제로 이어져 유기체의 특정 시스템의 정상적인 기능에 영향을 미칠 수 있다. 많은 사일런서 요소와 단백질 중에서 REST/NSRF는 발달의 신경학적 측면뿐만 아니라 다양한 영향을 미치는 중요한 사일런서 인자이다. 실제로 많은 경우 REST/NSRF는 RE-1/NRSE와 함께 작용하여 비신경 세포를 억제하고 영향을 미친다. 그 영향은 개구리 (Xenopus laevis)에서 인간에 이르기까지 표현형 및 발달에 수많은 영향을 미친다. Xenopus laevis에서 REST/NRSF 오작동 또는 손상은 발달 중 비정상적인 외배엽 패턴 형성 및 신경관, 뇌신경절, 눈 발달에 심각한 결과와 관련이 있다. 인간에서 REST/NSRF 사일런서 요소 결핍은 BDNF 전사 감소로 인해 헌팅턴병과 관련이 있다.
사일런서 변이된 사일런서, 유전 질환 및 그 영향
또한, 진행 중인 연구에 따르면 NRSE는 ANP 유전자의 조절에 관여하며, ANP 유전자가 과발현되면 심실 비대로 이어질 수 있다. 폴리콤 그룹 (PcG) 복합체의 돌연변이도 유기체의 생리 시스템에서 상당한 변화를 보였다. 따라서 사일런서 요소와 서열의 변형은 파괴적이거나 눈에 띄지 않는 변화를 초래할 수 있다.
사일런서 변이된 사일런서, 유전 질환 및 그 영향
RE1/NRSE와 REST/NRSF의 영향은 신경 유전자의 억제 또는 침묵을 필요로 하는 비신경 세포에서 중요하다. 이러한 사일런서 요소는 신경 특이적 단백질을 유도하지 않는 유전자의 발현도 조절하며, 연구는 이들 인자가 세포 과정에 미치는 광범위한 영향을 보여주었다. Xenopus laevis에서 RE1/NRSE와 REST/NRSF의 기능 장애 또는 돌연변이는 신경관, 뇌신경절, 눈 발달에 상당한 영향을 미쳤다. 이 모든 변화는 Xenopus 발달 중 외배엽의 부적절한 패턴 형성으로 거슬러 올라갈 수 있다. 따라서 침묵 영역 RE1/NRSE 또는 사일런서 REST/NRSF 인자의 돌연변이 또는 변경은 신경 상피 영역의 적절한 분화 및 특수화를 방해하고 피부 또는 외배엽 형성을 방해할 수 있다. 이들 인자의 부족은 뼈 형성 단백질 (BMP) 생산 감소로 이어지며, 이는 신경능선의 불충분한 발달을 의미한다. 따라서 NRSE와 NRSF의 영향은 발달 중인 배아의 신경 발생 및 외배엽 패턴 형성의 초기 단계에 근본적으로 중요하다. 궁극적으로 이들 인자의 부적절한 기능은 Xenopus에서 비정상적인 신경관, 뇌신경절 및 눈 발달로 이어질 수 있다.
사일런서 변이된 사일런서, 유전 질환 및 그 영향
헌팅턴병 (HD)은 유전성 신경퇴행성 질환으로, 개체의 중년기에 증상이 나타난다. 이 진행성 질환의 가장 눈에 띄는 증상은 인지 및 운동 장애, 행동 변화이다. 이러한 장애는 치매, 무도병으로 발전하고 결국 사망에 이를 수 있다. 분자 수준에서 HD는 헌팅틴 단백질 (Htt)의 돌연변이로 인해 발생한다. 더 구체적으로, 유전자의 5' 말단 근처에서 CAG 서열의 비정상적인 반복이 발생하며, 이는 단백질에서 독성 폴리글루타민 (polyQ) 구간의 발달로 이어진다. 변이된 Htt 단백질은 REST/NRSF의 작용을 억제함으로써 개체의 적절한 신경 기능에 영향을 미친다.
사일런서 변이된 사일런서, 유전 질환 및 그 영향
REST/NRSF는 조절 영역에 결합하여 신경 기능에 관련된 특정 단백질의 발현을 제어하는 중요한 사일런서 요소이다. 헌팅틴의 기계적 작용은 아직 완전히 이해되지 않았지만, HD 발병에서 Htt와 REST/NRSF 사이의 상관관계가 존재한다. 변이된 헌팅틴 단백질은 REST/NRSF에 부착하여 사일런서 요소의 작용을 억제하고 세포질에 붙잡아 둔다. 따라서 REST/NRSF는 핵으로 들어가지 못하고 21개 염기쌍 RE-1/NRSE 조절 요소에 결합할 수 없다. 많은 표적 유전자들이 신경 수용체, 신경전달물질, 시냅스 소포 단백질 및 채널 단백질의 적절한 발달에 관여하기 때문에 특정 표적 유전자의 적절한 억제는 근본적으로 중요하다. 이러한 단백질의 적절한 발달 부족은 헌팅턴병에서 보이는 신경 기능 장애를 유발할 수 있다. 비활성 REST/NRSF로 인한 억제 부족 외에도, 변이된 헌팅틴 단백질은 뇌유래신경영양인자 (BDNF) 유전자의 전사를 감소시킬 수도 있다. BDNF는 중추 신경계뿐만 아니라 말초 신경계에서도 뉴런의 생존과 발달에 영향을 미친다. 이러한 비정상적인 억제는 BDNF 촉진유전자 영역 내의 RE1/NRSE 영역이 REST/NRSF의 결합에 의해 활성화될 때 발생하며, 이는 BDNF 유전자의 전사 부족으로 이어진다. 따라서 BDNF 단백질의 비정상적인 억제는 헌팅턴병에 상당한 영향을 미친다.
사일런서 변이된 사일런서, 유전 질환 및 그 영향
REST/NRSF는 RE1/NRSE와 함께 신경계 외부에서도 조절자 및 억제자로 작용한다. 현재 연구는 RE1/NRSE 활동과 심방 나트륨이뇨 펩타이드 (ANP) 유전자 발현 조절을 연결하고 있다. NRSE 조절 영역은 ANP 유전자의 3' 비번역 영역에 존재하며 적절한 발현의 매개체 역할을 한다. ANP 유전자에 의해 암호화되는 단백질은 배아 발달 중 심장 심근세포의 성숙 및 발달에 중요하다. 그러나 유아기 및 성인기 내내 ANP 발현은 심실에서 억제되거나 최소한으로 유지된다. 따라서 ANP 유전자의 비정상적인 유도는 심실 비대 및 심각한 심장 결과를 초래할 수 있다. 유전자의 억제를 유지하기 위해 NRSF (신경 제한적 사일런서 인자) 또는 REST는 ANP 유전자의 3' 비번역 영역에 있는 NRSE 영역에 결합한다. 또한 NRSF-NRSE 복합체는 mSin3이라는 전사 보조 억제자를 모집한다. 이는 해당 영역에서 히스톤 탈아세틸화효소의 활동과 유전자의 억제로 이어진다. 따라서 연구는 심실 심근세포에서 ANP 유전자 발현을 조절하는 REST/NRSF와 RE1/NRSE 사이의 상관관계를 밝혔다. NRSF 또는 NRSE 중 하나의 돌연변이는 억제 부족으로 인해 심실 심근세포의 원치 않는 발달로 이어질 수 있으며, 이는 심실 비대를 유발할 수 있다. 예를 들어, 좌심실 비대는 심실 질량 증가로 인한 심실 부정맥으로 인한 급사를 개인이 경험할 가능성을 증가시킨다. ANP 유전자에 대한 영향 외에도 NRSE 서열은 뇌 나트륨이뇨 펩타이드 BNP, 골격 α-액틴, Na, K – ATPase α3 서브유닛과 같은 다른 심장 배아 유전자를 조절한다. 따라서 포유류에서 NRSE와 NRSF의 조절 활동은 신경 기능 장애뿐만 아니라 신체의 다른 비신경 영역에서 생리적 및 표현형적 이상도 방지한다.
사일런서 변이된 사일런서, 유전 질환 및 그 영향
폴리콤 그룹 (PcG) 조절 복합체는 줄기세포의 후성유전학적 조절, 특히 조혈 줄기세포 조절에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 폴리콤 억제 복합체 1 (PRC 1)은 조혈 과정에 직접적으로 관여하며, 예를 들어 PcG 유전자 "Bmi1"과 함께 기능한다. 쥐를 대상으로 한 연구에 따르면 "Bmi1"에 돌연변이가 있는 유기체는 미토콘드리아 기능 결함을 보였으며, 조혈 세포의 자가 재생 능력도 저해되었다. 마찬가지로 PRC2 유전자의 돌연변이는 백혈병의 한 형태인 급성 림프모구 백혈병 (ALL)과 같은 혈액학적 질환과 관련이 있었다. 따라서 폴리콤 그룹 유전자와 단백질은 체내 조혈의 적절한 유지에 관여한다.
3' 비번역 부위
분자유전학에서 3' 비번역 부위(three prime untranslated region, 3′-UTR)는 전령 RNA (mRNA)에서 번역 종결 코돈 바로 뒤에 오는 부분이다. 3'-UTR은 종종 전사 후 유전자 발현에 영향을 미치는 조절 부위를 포함한다.
유전자 발현 동안 mRNA 분자는 DNA 서열에서 전사된 후 나중에 번역되어 단백질이 된다. mRNA 분자의 여러 부위는 5' 캡, 5' 비번역 부위, 3' 비번역 부위 및 폴리(A) 꼬리를 포함하여 단백질로 번역되지 않는다. 3'-비번역 부위 내의 조절 부위는 폴리아데닐화, 번역 효율, 위치 및 mRNA 안정성에 영향을 미칠 수 있다. 3'-UTR은 조절 단백질과 마이크로RNA (miRNA) 모두에 대한 결합 부위를 포함한다. miRNA는 3'-UTR 내의 특정 부위에 결합함으로써 번역을 억제하거나 전사체 분해를 직접적으로 유발하여 다양한 mRNA의 유전자 발현을 감소시킬 수 있다. 3'-UTR에는 또한 억제자 단백질에 결합하고 mRNA의 발현을 억제하는 침묵자 영역이 있다.
3' 비번역 부위
많은 3'-UTR에는 AU-풍부 요소 (ARE)도 포함되어 있다. 단백질은 ARE에 결합하여 국소적으로 전사체의 안정성 또는 분해 속도에 영향을 미치거나 번역 개시에 영향을 미친다. 또한, 3'-UTR에는 mRNA 전사체의 끝에 폴리(A) 꼬리라고 불리는 수백 개의 아데닌 잔기를 추가하도록 지시하는 AAUAAA 서열이 포함되어 있다. 폴리(A) 결합 단백질 (PABP)은 이 꼬리에 결합하여 mRNA 번역, 안정성 및 수출 조절에 기여한다. 예를 들어, 폴리(A) 꼬리에 결합된 PABP는 전사체의 5' 말단과 관련된 단백질과 상호작용하여 mRNA의 순환을 유발하여 번역을 촉진한다.
3'-UTR은 또한 단백질을 유인하여 mRNA를 세포골격과 연관시키거나, 세포핵으로 또는 세포핵에서 수송하거나, 다른 유형의 국소화를 수행하는 서열을 포함할 수 있다. 3'-UTR 내의 서열 외에도 길이 및 2차 구조를 포함한 이 영역의 물리적 특성은 번역 조절에 기여한다. 이러한 다양한 유전자 조절 메커니즘은 올바른 유전자가 적절한 시기에 올바른 세포에서 발현되도록 보장한다.
3' 비번역 부위 물리적 특성
mRNA의 3'-UTR은 이 영역의 물리적 특성에 의해 제어되는 매우 다양한 조절 기능을 가지고 있다. 그러한 특성 중 하나는 3'-UTR의 길이인데, 포유류 게놈에서 상당한 변이가 있다. mRNA 전사체의 이 영역은 60개의 뉴클레오타이드에서 약 4000개에 이른다. 평균적으로 사람의 3'-UTR 길이는 약 800개 뉴클레오타이드인 반면, 5'-UTR의 평균 길이는 약 200개 뉴클레오타이드에 불과하다. 3'-UTR의 길이는 길수록 유전자 발현 수준이 낮아지는 경향이 있어 중요하다. 이 현상에 대한 한 가지 가능한 설명은 더 긴 영역이 번역을 억제할 수 있는 더 많은 miRNA 결합 부위를 가질 확률이 높다는 것이다. 길이에 더하여, 뉴클레오타이드 조성도 5' 및 3'-UTR 사이에서 크게 다르다. 온혈 척추동물에서 5'-UTR의 평균 G+C 비율은 약 60%인 반면, 3'-UTR의 경우 약 45%에 불과하다. 이는 5' 및 3'-UTR의 G+C%와 해당 길이 사이에 역상관관계가 관찰되었기 때문에 중요하다. GC 함량이 낮은 UTR은 GC 함량이 높은 게놈 영역에 위치한 UTR보다 더 긴 경향이 있다.
3' 비번역 부위 물리적 특성
3'-UTR 내의 서열은 또한 mRNA 전사체를 분해하거나 안정화하는 능력을 가지고 있다. 전사체의 안정성을 제어하는 변형은 번역 속도를 변경하지 않고 유전자 발현을 신속하게 제어할 수 있도록 한다. mRNA 전사체를 불안정화하는 데 도움이 될 수 있는 3'-UTR의 요소 그룹 중 하나는 AU-풍부 요소 (ARE)이다. 이러한 요소는 50개에서 150개 염기쌍의 크기를 가지며 일반적으로 펜타뉴클레오타이드 AUUUA의 여러 사본을 포함한다. 초기 연구는 ARE가 서열에서 다양할 수 있으며 모티프의 수와 배열이 다른 세 가지 주요 클래스로 분류될 수 있음을 나타냈다. 5' 및 3'-UTR 모두에 존재하는 또 다른 요소 집합은 철 반응 요소 (IRE)이다. IRE는 세포 철 대사에 관련된 단백질을 암호화하는 mRNA의 비번역 영역 내의 스템루프 구조이다. 이 요소를 포함하는 mRNA 전사체는 특정 단백질의 결합 및 세포 내 철 농도에 따라 분해되거나 안정화된다.
3' 비번역 부위 물리적 특성
3'-UTR은 또한 전사체 자체 또는 번역 산물에 추가를 지시하는 서열을 포함한다. 예를 들어, 3'-UTR 내에 두 가지 다른 폴리아데닐화 신호가 존재하여 폴리(A) 꼬리의 추가를 지시한다. 이 신호는 약 250개 염기쌍의 정의된 길이로 폴리(A) 꼬리의 합성을 시작한다. 사용되는 주요 신호는 3'-UTR의 끝 부분에 위치한 서열 AAUAAA를 가진 핵 폴리아데닐화 신호(PAS)이다. 그러나 초기 발달 동안 세포질 폴리아데닐화가 대신 발생하여 모계 mRNA의 번역 활성화를 조절할 수 있다. 이 과정을 제어하는 요소는 CPE라고 불리며 AU가 풍부하고 3'-UTR에도 위치한다. CPE는 일반적으로 UUUUUUAU 구조를 가지며 일반적으로 핵 PAS에서 100개 염기쌍 이내에 있다. 3'-UTR에 의해 지시되는 또 다른 특정 추가는 셀레노단백질을 암호화하는 mRNA의 UGA 코돈에서 셀레노시스테인의 통합이다. 일반적으로 UGA 코돈은 번역 정지를 암호화하지만, 이 경우 셀레노시스테인 삽입 서열 (SECIS)이라고 불리는 보존된 스템루프 구조는 대신 셀레노시스테인의 삽입을 유발한다.
3' 비번역 부위 유전자 발현에서의 역할
3' 비번역 부위는 mRNA의 국소화, 안정성, 수출 및 번역 효율에 영향을 미쳐 유전자 발현에 중요한 역할을 한다. 여기에는 마이크로RNA 반응 요소 (MRE), AU-풍부 요소 (ARE), 폴리(A) 꼬리 등 유전자 발현에 관여하는 다양한 서열이 포함된다. 또한, 3'-UTR의 구조적 특성뿐만 아니라 대체 폴리아데닐화의 사용도 유전자 발현에 중요한 역할을 한다.
3'-UTR은 종종 miRNA가 결합하는 서열인 마이크로RNA 반응 요소 (MRE)를 포함한다. miRNA는 mRNA 전사체에 결합하고 그 발현을 조절할 수 있는 짧고 비코딩 RNA 분자이다. 한 miRNA 메커니즘은 miRNA의 5' 시드 서열과 mRNA 3'-UTR 내의 MRE의 부분적인 염기쌍 결합을 포함한다. 이 결합은 번역 억제를 유발한다.
3' 비번역 부위 유전자 발현에서의 역할
MRE를 포함하는 것 외에도 3'-UTR은 종종 AU-풍부 요소 (ARE)를 포함하는데, 이는 길이가 50개에서 150개 bp이고 일반적으로 AUUUA 서열의 많은 복사본을 포함한다. ARE 결합 단백질 (ARE-BP)은 조직 유형, 세포 유형, 시기, 세포 국소화 및 환경에 따라 AU-풍부 요소에 결합한다. 다양한 세포 내외 신호에 반응하여 ARE-BP는 mRNA 분해를 촉진하거나 mRNA 안정성에 영향을 미치거나 번역을 활성화할 수 있다. 이러한 유전자 조절 메커니즘은 세포 성장, 세포 분화 및 외부 자극에 대한 적응에 관여한다. 따라서 사이토카인, 성장 인자, 종양 억제자, 원종양유전자, 사이클린, 효소, 전사 인자, 수용체 및 막 단백질을 암호화하는 전사체에 작용한다.
3' 비번역 부위 유전자 발현에서의 역할
폴리(A) 꼬리에는 폴리(A) 결합 단백질 (PABP)에 대한 결합 부위가 포함되어 있다. 이 단백질들은 다른 인자들과 협력하여 mRNA의 수출, 안정성, 분해 및 번역에 영향을 미친다. 폴리(A) 꼬리에 결합된 PABP는 또한 mRNA의 5' 캡에 결합된 번역 개시 인자와 같은 단백질과 상호작용할 수 있다. 이 상호작용은 전사체의 순환을 유발하며, 이는 이후 번역 개시를 촉진한다. 또한, 리보솜의 재활용을 유발하여 효율적인 번역을 가능하게 한다. 폴리(A) 꼬리의 존재는 일반적으로 번역을 유발하는 데 도움이 되지만, 폴리(A) 꼬리가 없거나 제거되면 종종 엑소뉴클레아제 매개 mRNA 분해로 이어진다. 폴리아데닐화 자체는 전사체 3'-UTR 내의 서열에 의해 조절된다. 이러한 서열에는 폴리아데닐화 활성화 및 억제에 모두 기여하는 유라실이 풍부한 서열인 세포질 폴리아데닐화 요소 (CPE)가 포함된다. CPE 결합 단백질 (CPEB)은 다양한 단백질과 함께 CPE에 결합하여 다른 반응을 유도한다.
3' 비번역 부위 유전자 발현에서의 역할
3'-UTR을 구성하는 서열이 유전자 발현에 크게 기여하지만, 3'-UTR의 구조적 특성도 큰 역할을 한다. 일반적으로 더 긴 3'-UTR은 번역 억제에 관여하는 더 많은 miRNA 및 단백질 결합 부위를 포함하는 경향이 있으므로 더 낮은 발현율에 해당한다. 사람 전사체는 다른 포유류 3'-UTR보다 평균적으로 두 배 더 긴 3'-UTR을 가지고 있다. 이러한 경향은 인간 유전자 조절에 관련된 높은 수준의 복잡성을 반영한다. 길이에 더하여 3' 비번역 영역의 2차 구조도 조절 기능을 가지고 있다. 단백질 인자는 해당 영역이 다양한 2차 구조로 접히는 것을 돕거나 방해할 수 있다. 가장 일반적인 구조는 스템루프이며, 이는 전사체의 발현에 영향을 미치는 RNA 결합 단백질 및 비코딩 RNA에 대한 골격을 제공한다.
3'-UTR 구조와 관련된 또 다른 메커니즘은 대체 폴리아데닐화(APA)라고 불리며, 이는 3'-UTR에서만 다른 mRNA 이소형을 생성한다. 이 메커니즘은 동일한 단백질을 다양한 양과 위치에서 발현하는 수단을 제공하므로 복잡한 생물에 특히 유용하다. 이는 인간 유전자의 약 절반에서 활용된다. APA는 여러 폴리아데닐화 부위 또는 상호 배타적인 말단 엑손의 존재로 인해 발생할 수 있다. 단백질 및 miRNA 결합 부위의 존재에 영향을 미칠 수 있으므로 APA는 mRNA 전사체의 안정성, 세포질로의 수출 및 번역 효율에 영향을 미침으로써 차등 발현을 유발할 수 있다.
3' 비번역 부위 연구 방법
과학자들은 3' UTR의 복잡한 구조와 기능을 연구하기 위해 여러 방법을 사용한다. mRNA 내의 특정 3'-UTR이 조직에 존재한다는 것이 밝혀지더라도, 3'-UTR의 완전한 기능을 이해하려면 국소화, 기능적 반감기, 번역 효율 및 트랜스 작용 요소의 영향을 결정해야 한다. 주로 서열 분석을 통한 계산적 접근 방식은 인간 3'-UTR의 약 5~8%에서 ARE의 존재를, 인간 3'-UTR의 60% 이상에서 하나 이상의 miRNA 표적의 존재를 보여주었다. 소프트웨어는 수백만 개의 서열을 한 번에 신속하게 비교하여 게놈 내 다양한 3' UTR 사이의 유사점을 찾을 수 있다. 특정 RNA 결합 단백질과 관련된 서열을 정의하기 위해 실험적 접근 방식이 사용되었다. 특히, 최근의 염기 서열 분석 및 교차 결합 기술의 발전은 전사체 내 단백질 결합 부위의 정밀한 매핑을 가능하게 했다. 예를 들어, 종결 코돈, 폴리아데닐화 신호 또는 3'-UTR의 2차 구조에 영향을 미치는 유도된 부위 특이적 돌연변이는 돌연변이된 영역이 어떻게 번역 조절 이상 및 질병을 유발할 수 있는지 보여줄 수 있다. 이러한 유형의 전사체 전체 방법은 3'-UTR 내에 알려진 시스 요소 및 트랜스 조절 인자에 대한 우리의 이해를 돕는 데 도움이 될 것이다.
3' 비번역 부위 질병
3'-UTR 돌연변이는 하나의 변형이 여러 유전자의 발현 변화를 유발할 수 있기 때문에 매우 중요하다. 전사적으로 돌연변이는 물리적으로 연결된 대립유전자와 유전자만 영향을 미칠 수 있다. 그러나 3'-UTR 결합 단백질도 mRNA의 처리 및 핵 수출에 기능하므로 돌연변이는 관련 없는 다른 유전자에도 영향을 미칠 수 있다. AU-풍부 영역의 돌연변이로 인한 ARE 결합 단백질 (AUBP)의 조절 이상은 종양 형성 (암), 조혈계 악성 종양, 백혈병 형성 및 발달 지연/자폐 스펙트럼 장애를 포함한 질병을 유발할 수 있다. 디스트로피아 근긴장성 단백질 키나제 (DMPK) 유전자의 3'-UTR에서 확장된 삼뉴클레오타이드 (CTG) 반복 횟수는 근긴장성 이영양증을 유발한다. 푸쿠틴 단백질 3'-UTR 내의 역전이적 3킬로베이스 직렬 반복 서열 삽입은 후쿠야마형 선천성 근육병증과 관련이 있다. 3'-UTR의 요소는 또한 인간 급성 골수성 백혈병, 알파-탈라세미아, 신경아세포종, 각막병증, 무홍채증, IPEX 증후군 및 선천성 심장 결손과 관련이 있다. 몇몇 UTR 매개 질병의 식별은 아직 발견되지 않은 수많은 연결 고리를 암시할 뿐이다.
3' 비번역 부위 미래 개발
3'-UTR에 대한 현재 이해에도 불구하고, 그것들은 여전히 상대적으로 미스터리이다. mRNA는 일반적으로 여러 중첩된 제어 요소를 포함하므로, 각 3'-UTR 요소의 정체성과 기능, 그리고 이 부위에 결합할 수 있는 조절 인자를 지정하는 것은 종종 어렵다. 또한, 각 3'-UTR은 많은 대체 AU-풍부 요소와 폴리아데닐화 신호를 포함한다. 이러한 시스 및 트랜스 작용 요소는 miRNA와 함께 단일 mRNA 내에서 사실상 무한한 제어 가능성을 제공한다. 딥 시퀀싱 기반 리보솜 프로파일링의 사용 증가를 통한 향후 연구는 더 많은 조절 미묘함뿐만 아니라 새로운 제어 요소 및 AUBBP를 밝혀낼 것이다.
3' 비번역 부위 추가 자료
Mazumder, Barsanjit; Vasudevan; Fox, Paul L (February 2003). 《Translational control by the 3′-UTR: the ends specify the means》. 《Trends in Biochemical Sciences》 28. 91–98쪽. doi:10.1016/S0968-0004(03)00002-1. PMID 12575997.
인핸서
유전학에서 인핸서(enhancer)는 특정 유전자의 전사가 일어날 가능성을 높이기 위해 단백질 (활성인자)에 의해 결합될 수 있는 짧은 (50–1500 염기쌍) DNA 영역이다. 이러한 단백질은 일반적으로 전사인자라고 불린다. 인핸서는 시스-작용성이다. 그것들은 유전자로부터 최대 1 Mbp (1,000,000 bp) 떨어진 곳, 시작 지점의 상류 또는 하류에 위치할 수 있다. 인간 유전체에는 수십만 개의 인핸서가 있다. 그것들은 원핵생물과 진핵생물 모두에서 발견된다. 활성 인핸서는 일반적으로 인핸서 또는 조절 비코딩 RNA로 전사되며, 그 발현 수준은 표적 유전자의 mRNA 수준과 상관관계가 있다.
인핸서
진핵생물 인핸서의 첫 발견은 1983년 면역글로불린 중쇄 유전자에서 이루어졌다. 이 인핸서는 큰 인트론에 위치하며, 재배열되지 않은 Vh 프로모터가 비활성 상태로 남아있는 동안 재배열된 Vh 유전자 프로모터의 전사 활성화를 설명했다. 최근에는 인핸서가 특정 질병, 예를 들어 골수억제와 관련이 있음이 밝혀졌다. 2022년부터 과학자들은 인공지능을 사용하여 합성 인핸서를 설계하고 이를 동물 시스템에 적용했으며, 처음에는 세포주에서, 그리고 1년 후에는 생체 내에서도 적용했다.
인핸서 위치
진핵생물 세포에서 DNA의 염색질 복합체 구조는 원핵생물 DNA의 특징적인 초나선 상태를 기능적으로 모방하는 방식으로 접혀 있어서, 인핸서 DNA가 선형적으로 유전자로부터 멀리 떨어져 있을 수 있지만, 공간적으로는 프로모터와 유전자에 가깝게 위치한다. 이는 일반 전사 인자 및 RNA 중합효소 II와 상호작용할 수 있게 한다. 동일한 메커니즘이 진핵생물 유전체의 사일런서에도 적용된다. 사일런서는 인핸서의 길항제로, 억제자라고 불리는 적절한 전사 인자에 결합하면 유전자의 전사를 억제한다. 사일런서와 인핸서는 서로 가까이 있거나, 심지어 동일한 영역에 있으면서 해당 영역이 결합하는 전사 인자에 의해 구분될 수도 있다.
인핸서 위치
인핸서는 조절하는 유전자의 상류 또는 하류에 위치할 수 있다. 더욱이, 인핸서는 전사 시작 지점에 가까이 위치하지 않아도 전사에 영향을 미칠 수 있다. 일부 인핸서는 시작 지점에서 수십만 염기쌍 상류 또는 하류에 위치하는 것이 발견되었다. 인핸서는 프로모터 영역 자체에 작용하는 것이 아니라, 생체 내 경쟁 실험에서 처음 밝혀진 바와 같이 활성 단백질에 의해 결합된다. 이후 분자 연구는 전사 인자 및 매개자 복합체를 포함한 보조 인자와의 직접적인 상호작용을 보여주었으며, 이들은 RNA 중합효소 II와 일반 전사 인자를 모집하여 유전자 전사를 시작한다. 인핸서는 인트론 내에서도 발견될 수 있다. 인핸서의 방향은 기능에 영향을 미치지 않고 역전될 수도 있으며, 인핸서는 염색체 다른 곳에 절단되어 삽입될 수도 있고 여전히 유전자 전사에 영향을 미칠 수 있다. 이것이 인트론의 다형성이 번역되지 않음에도 불구하고 영향을 미칠 수 있는 한 가지 이유이다. 인핸서는 관련 없는 유전자의 엑손 영역에서도 발견될 수 있으며 다른 염색체의 유전자에도 작용할 수 있다.
인핸서 위치
인핸서는 p300-CBP에 의해 결합되며, 이 보조활성인자군에 대한 ChIP-seq를 통해 그 위치를 예측할 수 있다.
포유류의 유전자 발현은 유전자의 전사 시작 부위 근처에 위치한 핵심 프로모터 및 프로모터 근접 요소를 포함한 많은 시스 조절 요소에 의해 조절된다. 핵심 프로모터는 전사 개시를 지시하기에 충분하지만, 일반적으로 낮은 기초 활성을 갖는다. 다른 중요한 시스 조절 모듈은 전사 시작 부위에서 멀리 떨어진 DNA 영역에 국소화되어 있다. 여기에는 인핸서, 사일런서, 절연체 및 테더링 요소가 포함된다. 이러한 요소들의 조합 중에서 인핸서와 관련 전사인자는 유전자 발현 조절에 주도적인 역할을 한다. 유전자 프로모터에서 멀리 떨어진 DNA 영역에 위치한 인핸서는 유전자 발현에 매우 큰 영향을 미칠 수 있으며, 일부 유전자는 활성화된 인핸서로 인해 최대 100배까지 발현이 증가한다.
인핸서 위치
인핸서는 유전자 조절의 주요 요소인 유전체 영역이다. 인핸서는 세포 유형별 유전자 발현 프로그램을 제어하며, 대부분 표적 유전자의 프로모터와 물리적으로 가까워지기 위해 장거리를 루핑한다. 수십만 개의 인핸서 DNA 영역이 있지만, 특정 조직 유형의 경우 특정 인핸서만 조절하는 프로모터와 가까워진다. 뇌 피질 뉴런 연구에서 24,937개의 루프가 발견되어 인핸서를 표적 프로모터로 가져왔다. 각각 종종 표적 유전자에서 수만 또는 수십만 뉴클레오타일 떨어진 여러 인핸서는 표적 유전자 프로모터로 루프를 형성하고 서로 협력하여 공통 표적 유전자의 발현을 제어할 수 있다.
인핸서 위치
이 섹션의 개략도는 인핸서가 표적 유전자의 프로모터와 물리적으로 가깝게 루프를 형성하는 것을 보여준다. 루프는 연결 단백질 (예: CTCF 또는 YY1의 이합체)의 이합체에 의해 안정화되며, 이합체의 한 구성원은 인핸서의 결합 모티프에 고정되고 다른 구성원은 프로모터의 결합 모티프에 고정된다 (그림의 빨간색 지그재그로 표시). 여러 세포 기능 특이적 전사인자 (인간 세포에는 약 1,600개의 전사인자가 있다)는 일반적으로 인핸서의 특정 모티프에 결합하며 DNA 루프에 의해 프로모터 가까이로 가져와질 때, 이 인핸서 결합 전사인자들의 작은 조합이 표적 유전자의 전사 수준을 조절한다. 매개자 (일반적으로 상호작용하는 구조에 약 26개의 단백질로 구성된 복합체)는 인핸서 DNA에 결합된 전사인자로부터 조절 신호를 프로모터에 결합된 RNA 중합효소 II (pol II) 효소에 직접 전달한다.
활성 상태의 인핸서는 일반적으로 그림에서와 같이 두 가지 다른 방향으로 작용하는 RNA 중합효소에 의해 DNA의 양쪽 가닥에서 전사되어 두 개의 인핸서 RNA(eRNA)를 생성한다. mRNA와 마찬가지로, 이 eRNA는 일반적으로 5' 캡에 의해 보호된다. 비활성 인핸서는 비활성 전사인자에 의해 결합될 수 있다. 전사인자의 인산화는 이를 활성화할 수 있으며, 활성화된 전사인자는 자신이 결합된 인핸서를 활성화할 수 있다 (그림에서 인핸서에 결합된 전사인자의 인산화를 나타내는 작은 빨간 별 참조). 활성화된 인핸서는 표적 유전자로부터 전령 RNA 전사를 활성화하기 전에 자신의 RNA 전사를 시작한다.
인핸서 이론
2005년 기준에는 인핸서에서 발생하는 정보 처리 방식에 대해 두 가지 다른 이론이 있다.
인핸서 인간 유전체 내 사례
HACNS1 (또한 CENTG2로 알려져 있으며 인간 가속화 영역 2에 위치)는 "독특하게 마주볼 수 있는 사람의 엄지손가락의 진화에 기여했을 수 있으며, 아마도 인간이 두 다리로 걷기를 가능하게 하는 발목 또는 발의 변형에도 기여했을 수 있는" 유전자 인핸서이다. 현재까지의 증거는 인간 유전체에서 확인된 110,000개의 유전자 인핸서 서열 중 HACNS1이 침팬지 조상과의 분리 이후 인간의 진화 과정에서 가장 많은 변화를 겪었음을 보여준다.
GADD45g 유전자 근처의 인핸서는 침팬지와 다른 포유류의 뇌 성장을 조절할 수 있지만 인간에서는 그렇지 않다고 설명되었다. 쥐와 침팬지의 GADD45G 조절자는 피질, 복부 전뇌, 시상을 형성하는 세포가 위치한 뇌 영역에서 활성화되어 추가적인 신경생성을 억제할 수 있다. 인간에서 GADD45G 인핸서의 손실은 특정 신경 세포 집단의 증가와 인간의 전뇌 확장에 기여할 수 있다.
인핸서 발생생물학에서
세포와 조직의 발생, 분화 및 성장은 정밀하게 조절된 유전자 발현 패턴을 필요로 한다. 인핸서는 시스 조절 요소로서 특정 세포에서 전사를 활성화하고 다른 세포에서는 억제함으로써 발생의 공간적 및 시간적 조절을 매개한다. 따라서, 발달 중인 조직에서 전사인자 및 기타 DNA 결합 단백질의 특정 조합이 해당 조직에서 어떤 유전자가 발현될지 제어한다. 인핸서는 동일한 유전자가 공간과 시간에서 다양한 과정에 사용될 수 있도록 한다.
전통적으로 인핸서는 리포터 유전자를 사용한 인핸서 트랩 기술 또는 비교 서열 분석 및 계산 유전체학을 통해 식별되었다. 예를 들어, 유전적으로 조작 가능한 노랑초파리와 같은 모델에서는 lacZ 유전자와 같은 리포터 구조를 P 요소 트랜스포존을 사용하여 유전체에 무작위로 통합할 수 있다. 리포터 유전자가 인핸서 근처에 통합되면, 그 발현은 해당 인핸서에 의해 구동되는 발현 패턴을 반영한다. 따라서, LacZ 발현 또는 활성에 대해 파리를 염색하고 통합 부위 주변 서열을 클로닝하면 인핸서 서열을 식별할 수 있다.
인핸서 발생생물학에서
그러나 유전체 및 후성유전체 기술의 발전은 시스 조절 모듈(CRM) 발견의 전망을 극적으로 변화시켰다. 차세대 시퀀싱(NGS) 방법은 이제 고처리량 기능성 CRM 발견 분석을 가능하게 하며, 대규모 전사인자 결합 부위(TFBS) 모티프 라이브러리, 주석이 달리고 검증된 CRM 컬렉션, 다양한 세포 유형에 걸친 광범위한 후성유전학적 데이터를 포함하여 방대하게 증가하는 데이터 양은 정확한 계산 CRM 발견을 달성 가능한 목표로 만들고 있다. DNase-seq라고 불리는 NGS 기반 접근법은 뉴클레오솜이 결핍된 또는 개방 염색질 영역(CRM을 포함할 수 있음)의 식별을 가능하게 했다. 최근에는 더 적은 시작 물질을 필요로 하는 ATAC-seq와 같은 기술이 개발되었다. 뉴클레오솜이 결핍된 영역은 Dam 메틸화효소 발현을 통해 생체 내에서 식별될 수 있으며, 세포 유형 특이적 인핸서 식별에 대한 더 큰 제어를 가능하게 한다.
계산 방법에는 비교유전체학, 알려진 또는 예측된 TF-결합 부위의 클러스터링, 그리고 알려진 CRM을 훈련시킨 지도형 기계 학습 접근법이 포함된다.
인핸서 발생생물학에서
이러한 모든 방법은 CRM 발견에 효과적임이 입증되었지만, 각각 고유한 고려 사항과 한계가 있으며, 각각은 더 많거나 적은 수의 오탐지에 영향을 받는다.
인핸서 발생생물학에서
비교유전체학 접근법에서 비코딩 영역의 보존 서열은 인핸서를 나타낼 수 있다. 여러 종의 서열이 정렬되고, 보존된 영역은 계산적으로 식별된다. 식별된 서열은 녹색 형광 단백질 또는 lacZ와 같은 리포터 유전자에 부착되어 배아에 주입되었을 때 인핸서에 의해 생성되는 생체 내 유전자 발현 패턴을 결정할 수 있다. 리포터의 mRNA 발현은 제자리 혼성화를 통해 시각화될 수 있는데, 이는 번역 및 단백질 접힘의 복잡성에 영향을 받지 않으므로 인핸서 활성에 대한 보다 직접적인 측정값을 제공한다. 비록 많은 증거가 중요한 발생 인핸서에 대한 서열 보존을 지적했지만, 다른 연구는 인핸서의 기능이 일차 서열 보존이 거의 없거나 전혀 없이도 보존될 수 있음을 보여주었다. 예를 들어, 인간의 RET 인핸서는 제브라피쉬의 RET 인핸서와 서열 보존이 거의 없지만, 두 종의 서열 모두 제브라피쉬에서 거의 동일한 리포터 유전자 발현 패턴을 생성한다. 유사하게, 고도로 분화된 곤충(약 3억 5천만 년 전에 분리됨)에서 여러 핵심 유전자의 유사한 유전자 발현 패턴이 유사하게 구성된 CRM을 통해 조절됨이 밝혀졌지만, 이 CRM은 BLAST와 같은 표준 서열 정렬 방법으로 감지할 수 있는 어떠한 뚜렷한 서열 보존도 보이지 않는다.
인핸서 발생생물학에서
노랑초파리 배아의 초기 체절을 결정하는 인핸서는 가장 잘 특성화된 발생 인핸서 중 하나이다. 초기 초파리 배아에서 갭 유전자 전사 인자는 짝-룰 유전자와 같은 여러 체절 유전자를 활성화하고 억제하는 역할을 한다. 갭 유전자는 다른 모계 영향 유전 전사 인자와 함께 초파리의 전후축을 따라 블록으로 발현되어, 다른 전사 인자 조합이 발현되는 영역을 생성한다. 짝-룰 유전자는 비발현 세포에 의해 서로 분리되어 있다. 더욱이, 다른 짝-룰 유전자의 발현 줄무늬는 서로 몇 세포 직경만큼 상쇄된다. 따라서, 짝-룰 유전자 발현의 고유한 조합은 전후축을 따라 공간적 영역을 생성하여 14개의 개별 체절을 설정한다. 짝-룰 유전자 이븐-스키프(eve)의 날카로운 줄무늬 2를 구동하는 480 bp 인핸서는 잘 특성화되어 있다. 이 인핸서에는 모계 및 갭 유전자 전사 인자를 위한 12개의 다른 결합 부위가 포함되어 있다. 활성화 및 억제 부위는 서열에서 겹친다. Eve는 이 인핸서 서열에 대한 활성제의 고농도와 억제제의 저농도를 포함하는 좁은 세포 줄무늬에서만 발현된다. 다른 인핸서 영역은 배아에서 6개의 다른 줄무늬로 eve 발현을 구동한다.
인핸서 발생생물학에서
몸 축을 설정하는 것은 동물 발생의 중요한 단계이다. 쥐 배아 발생 동안, 노달(Nodal), 즉 변형 성장 인자 베타 상과 리간드는 초기 배아의 전후 축과 좌우 축 모두의 패턴 형성에 관여하는 핵심 유전자이다. 노달 유전자에는 근위 상피 인핸서(PEE)와 비대칭 인핸서(ASE)의 두 가지 인핸서가 포함되어 있다. PEE는 노달 유전자 상류에 위치하며, 원시선의 노드(또한 원시 노드라고 불림)로 분화할 부분에서 노달 발현을 유도한다. PEE는 Wnt 신호 전달과 두 번째 미지의 신호의 조합에 반응하여 노달 발현을 활성화한다. 따라서 LEF/TCF 전사 인자 계열의 구성원이 노드의 세포 내 TCF 결합 부위에 결합할 가능성이 높다. 노드에서 멀리 확산되는 노달은 경사를 형성하여 배아의 확장되는 전후 축을 패턴화한다. ASE는 포크헤드 도메인 전사 인자 Fox1에 의해 결합되는 인트론 인핸서이다. 발생 초기에는 Fox1 구동 노달 발현이 내장 내배엽을 확립한다. 발생 후기에는 Fox1이 ASE에 결합하여 측판 중배엽의 왼쪽에 노달 발현을 유도함으로써 중배엽에서 비대칭 장기 발생에 필요한 좌우 비대칭을 확립한다.
인핸서 발생생물학에서
위창자 형성 동안 세 배엽을 확립하는 것은 동물 발생의 또 다른 중요한 단계이다. 세 배엽 각각은 분화와 발생을 촉진하는 고유한 유전자 발현 패턴을 가지고 있다. 내배엽은 발생 초기에 Gata4 발현에 의해 특화되며, Gata4는 나중에 장 형태 발생을 지시한다. Gata4 발현은 초기 배아에서 다른 포크헤드 도메인 전사 인자인 FoxA2에 결합하는 인트론 인핸서에 의해 제어된다. 처음에는 인핸서가 배아 전체에 걸쳐 광범위한 유전자 발현을 유도하지만, 발현은 빠르게 내배엽으로 제한되며, 이는 다른 억제자가 제한에 관여할 수 있음을 시사한다. 발생 후기에는 동일한 인핸서가 위와 췌장이 될 조직으로 발현을 제한한다. 추가적인 인핸서는 장 발생의 중간 단계 동안 내배엽에서 Gata4 발현을 유지하는 역할을 한다.
중요한 발생 과정에 관련된 일부 유전자들은 중복된 기능을 가진 여러 인핸서를 포함한다. 보조 인핸서 또는 "그림자 인핸서"는 주 인핸서("주"는 일반적으로 처음 발견된 인핸서를 의미하며, 이는 조절하는 유전자와 더 가까운 경우가 많다)에서 수천 염기쌍 떨어진 곳에 발견될 수 있다. 각 인핸서는 자체적으로 거의 동일한 유전자 발현 패턴을 유도한다. 두 인핸서는 진정으로 중복되는가? 최근 연구는 여러 인핸서가 초파리가 온도 상승과 같은 환경 교란에서 살아남을 수 있도록 한다는 것을 보여주었다. 온도가 상승된 환경에서 자랄 때, 단일 인핸서는 때때로 완전한 발현 패턴을 유도하는 데 실패하지만, 두 인핸서의 존재는 정상적인 유전자 발현을 허용한다.
인핸서 발생 메커니즘의 진화
진화발생생물학("에보-데보") 연구의 한 주제는 인핸서 및 기타 시스 조절 요소가 종 간의 발생적 차이를 통해 형태학적 변화를 일으키는 역할을 탐구하는 것이다.
인핸서 발생 메커니즘의 진화
최근 연구는 큰가시고기의 형태학적 변화에서 인핸서의 역할을 조사했다. 큰가시고기는 해양과 담수 환경 모두에 존재하지만, 많은 담수 개체군의 큰가시고기는 사지동물의 후방 사지에 상동인 골반 지느러미를 완전히 잃었다.
Pitx1은 척추동물의 후방 사지 발달에 관여하는 호메오박스 유전자이다. 예비 유전 분석은 이 유전자의 발현 변화가 큰가시고기의 골반 감소에 책임이 있음을 나타냈다. Pitx1의 담수 대립 유전자만 발현하는 물고기는 골반 가시가 없는 반면, 해양 대립 유전자를 발현하는 물고기는 골반 가시를 유지한다. 더 철저한 특성화는 500 염기쌍 인핸서 서열이 후방 지느러미 봉오리에서 Pitx1 발현을 활성화하는 역할을 한다는 것을 보여주었다. 이 인핸서는 염색체 취약 부위—파손될 가능성이 높고 따라서 부정확한 DNA 수선의 결과로 돌연변이가 발생할 가능성이 더 높은 DNA 서열—근처에 위치한다. 이 취약 부위는 고립된 담수 개체군에서 골반 가시의 Pitx1 발현을 유도하는 인핸서의 반복적이고 독립적인 손실을 야기했으며, 이 인핸서가 없으면 담수 물고기는 골반 가시를 발달시키지 못한다.
인핸서 발생 메커니즘의 진화
색소 침착 패턴은 다양한 동물 종 간의 가장 눈에 띄고 쉽게 평가할 수 있는 차이점 중 하나를 제공한다. 초파리 날개의 색소 침착은 복잡한 색소 침착 표현형의 발달을 연구하는 데 특히 적합한 시스템으로 입증되었다. 초파리 날개는 12개의 어두운 색소 침착 점과 4개의 더 밝은 회색 날개맥 간 패치를 가지고 있다. 색소 점은 노란색 유전자 발현에서 발생하며, 이 유전자의 산물은 검은색 멜라닌을 생성한다. 최근 연구에 따르면 노란색 유전자의 두 인핸서가 정확히 이 패턴으로 유전자 발현을 생성한다. 날개맥 점 인핸서는 12개의 점에 리포터 유전자 발현을 유도하고, 날개맥 간 음영 인핸서는 4개의 뚜렷한 패치에 리포터 발현을 유도한다. 이 두 인핸서는 모든 색소 침착 위치에서 날개없음(wingless) 발현에 의해 활성화되는 윈트 신호전달 경로에 반응한다. 따라서 복잡한 색소 침착 표현형의 진화에서 노란색 색소 유전자는 날개없음 신호에 반응하는 인핸서를 진화시켰고, 날개없음 발현은 새로운 날개 패턴을 생성하기 위해 새로운 위치에서 진화했다.
각 세포는 일반적으로 수천 개의 염기쌍 길이의 DNA 서열에 걸쳐 있는 "슈퍼 인핸서"라고 불리는 특별한 종류의 인핸서를 수백 개 포함하고 있다. 이 인핸서들은 서열 특이적, 유도 가능한 전사 인자를 위한 많은 결합 부위를 포함하며, 세포 분화에 관련된 유전자의 발현을 조절한다. 염증 동안, 전사 인자 NF-κB는 크로마틴의 리모델링을 촉진하여 높은 점유율의 인핸서로부터 보조 인자를 선택적으로 재분배하여 세포 정체성을 유지하는 유전자의 발현을 억제한다. 동시에, 이 NF-κB 유도 리모델링 및 재분배는 염증을 통해 세포 기능의 변화를 유도하는 다른 인핸서를 활성화한다. 그 결과, 염증은 세포를 재프로그래밍하여 조직의 나머지 부분 및 면역 체계와의 상호작용을 변화시킨다. 암에서는 NF-κB 활동을 조절하는 단백질이 조절 이상을 일으켜 악성 세포가 국소 조직과의 상호작용 의존도를 줄이고 면역 감시를 방해하게 한다.
인핸서 역사
1980년 막스 비른슈티엘과 루돌프 그로스셰들은 "조절자"라고 언급한 인핸서를 기술했다. 1981년, 폴리오마바이러스 SV40에서 유래하며 72 bp 길이의 동일한 두 섹션인 72-bp 반복을 포함하는 인핸서가 기술되었다. 두 세그먼트 각각은 자체적으로 프로모터에 약한 증강 효과를 가지지만, 함께 작용할 때 활성을 여러 배 증가시킨다는 것이 밝혀졌다. 이는 가장 먼저 이를 발견한 사람들 중 하나였다..
인핸서 합성 생물학에서 인핸서 설계
인핸서와 같은 합성 조절 요소는 유익한 유전자를 활성화하거나 비정상적인 세포 상태를 멈춤으로써 질병을 치료하기 위해 특정 세포 유형에 유전자 산물을 지시하는 강력한 도구가 될 것이다.
2022년부터 인공지능 및 전이학습 전략은 조절 DNA 서열의 특징, 합성 인핸서의 예측 및 설계에 대한 더 나은 이해를 가져왔다.
세포 배양 연구를 바탕으로, 2023년에는 합성 인핸서가 전체 생체 유기체에 성공적으로 적용되었다. 심층 신경망을 사용하여 과학자들은 인핸서 기능의 기초가 되는 특징의 출현을 분석하기 위해 DNA 서열의 진화를 시뮬레이션했다. 이를 통해 초파리 뇌의 다양한 세포 유형에 대한 기능성 합성 인핸서의 범위가 설계 및 생산될 수 있었다. 두 번째 접근법은 단일 세포 DNA 접근성 데이터에 대한 인공 지능 모델을 훈련하고 학습된 모델을 초파리 배아의 선택된 조직에 대한 인핸서 예측으로 전환했다. 이 인핸서 예측 모델은 신경계, 뇌, 근육, 표피 및 장에 대한 합성 인핸서를 설계하는 데 사용되었다.
공통 서열
분자생물학과 생물정보학에서 공통 서열, 컨센서스 서열(consensus sequence), 공통 배열 또는 정식 서열(canonical sequence)은 서열 정렬의 각 위치에서 발견되는 가장 빈번한 잔기(residue), 즉 뉴클레오타이드 또는 아미노산,의 계산된 서열이다. 이는 관련 서열들을 서로 비교하고 유사한 서열 모티프를 계산한 다중 서열 정렬의 결과를 나타낸다. 이러한 정보는 RNA 중합효소와 같은 서열 의존 효소를 고려할 때 중요하다.
각 위치에 단일 잔기로 변동성을 줄이는 공통 서열의 한계를 해결하기 위해 서열 로고는 정렬된 서열에 대한 더 풍부한 시각적 표현을 제공한다. 로고는 각 위치를 문자(뉴클레오타이드 또는 아미노산) 스택으로 표시하며, 문자의 높이는 정렬에서 해당 문자의 빈도에 해당하고 전체 스택 높이는 정보 내용( 비트로 측정됨)을 반영한다. 가장 빈번한 잔기는 스택의 맨 위에 나타나 컨센서스를 유지하면서 기능적으로 중요하지만 빈도가 낮은 잔기(예: 대체 시작 코돈 또는 전사인자 결합 부위)와 같은 미묘한 패턴도 보여준다.
공통 서열 생물학적 중요성
공통 서열로 표현되는 단백질 결합 부위는 유전체에서 여러 번 발견되며 다른 위치에서 동일한 역할을 한다고 여겨지는 짧은 뉴클레오타이드 서열일 수 있다. 예를 들어, 많은 전사인자는 조절하는 유전자의 프로모터에서 특정 패턴을 인식한다. 이와 동일하게, 제한 효소는 일반적으로 회문 공통 서열을 가지며, 이는 일반적으로 DNA를 절단하는 부위에 해당한다. 트랜스포존은 전이를 위한 표적 서열을 식별하는 데 거의 동일한 방식으로 작용한다. 마지막으로, 스플라이싱 부위(엑손-인트론 경계를 즉시 둘러싸는 서열)도 공통 서열로 간주될 수 있다.
따라서 공통 서열은 추정적인 DNA 결합 부위의 모델이다. 이는 특정 인식 부위의 알려진 모든 예시를 정렬하고 각 위치에서 우세한 염기를 나타내는 이상적인 서열로 정의함으로써 얻어진다. 모든 실제 예시는 컨센서스와 몇 가지 치환 이상으로 차이가 나서는 안 되지만, 이러한 방식으로 불일치를 세는 것은 불일치로 이어질 수 있다.
공통 서열 생물학적 중요성
핵심 프로모터 서열에서 돌연변이된 뉴클레오타이드가 공통 서열과 더 유사하게 보이도록 허용하는 모든 돌연변이를 상향 돌연변이(up mutation)라고 한다. 이러한 종류의 돌연변이는 일반적으로 프로모터를 더 강하게 만들고, 따라서 RNA 중합효소가 전사하려는 DNA에 더 단단히 결합하여 전사가 상향 조절된다. 반대로, 공통 서열에서 보존된 뉴클레오타이드를 파괴하는 돌연변이는 하향 돌연변이(down mutation)라고 한다. 이러한 유형의 돌연변이는 RNA 중합효소가 핵심 프로모터 서열에 더 이상 단단히 결합할 수 없기 때문에 전사를 하향 조절한다.