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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'-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'-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.
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.
마이크로RNA 반응 요소.
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.
AU-풍부 요소.
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.
폴리(A) 꼬리.
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'-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.
대체 폴리아데닐화.
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.
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'-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'-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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
에는 인핸서에서 발생하는 정보 처리 방식에 대해 두 가지 다른 이론이 있다.
인간 유전체 내 사례.
HACNS1.
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.
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.
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.
식별 및 특성화.
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.
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.
이러한 모든 방법은 CRM 발견에 효과적임이 입증되었지만, 각각 고유한 고려 사항과 한계가 있으며, 각각은 더 많거나 적은 수의 오탐지에 영향을 받는다.
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.
곤충의 체절에서.
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.
척추동물 패턴 형성에서.
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.
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.
다중 인핸서가 발생 견고성을 촉진하다.
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.
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.
큰가시고기 Pitx1.
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.
초파리 날개 패턴 진화에서.
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.
염증과 암에서.
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.
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..
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.
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 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.
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.
서열 분석.
패턴 인식 소프트웨어 개발은 유전학, 분자생물학, 생물정보학의 주요 주제이다. 특정 서열 모티프는 생합성을 제어하는 조절 서열로 기능하거나, 세포 내 특정 부위로 분자를 유도하거나 성숙을 조절하는 신호 펩타이드로 기능할 수 있다. 이러한 서열의 조절 기능이 중요하기 때문에, 이들은 오랜 진화 기간 동안 보존되어 온 것으로 생각된다. 일부 경우에, 이러한 부위의 보존 정도에 의해 진화적 관련성을 추정할 수 있다.
보존된 서열 모티프를 공통 서열이라고 하며, 어떤 잔기가 보존되고 어떤 잔기가 가변적인지를 보여준다. 다음 DNA 서열의 예를 고려해 보자.
이 표기법에서 A는 그 위치에 항상 A가 발견됨을 의미한다. [CT]는 C 또는 T를 나타낸다. N은 모든 염기를 나타내며, {A}는 A를 제외한 모든 염기를 의미한다. Y는 모든 피리미딘을 나타내고, R은 모든 퓨린을 나타낸다.
이 예에서 [CT] 표기법은 해당 위치에서 C 또는 T가 발생하는 상대적 빈도에 대한 어떤 지표도 제공하지 않는다. 그리고 이를 ACNCCA와 같은 단일 공통 서열로 작성하는 것은 불가능하다. 공통 서열을 나타내는 대체 방법은 서열 로고를 사용하는 것이다. 이것은 공통 서열의 그래픽 표현으로, 기호의 크기는 특정 위치에서 주어진 뉴클레오타이드(또는 아미노산)가 발생하는 빈도와 관련된다. 서열 로고에서 잔기가 더 보존될수록 해당 잔기에 대한 기호는 더 크게 그려진다. 빈도가 낮을수록 기호는 더 작아진다. 서열 로고는 WebLogo를 사용하거나 시스템 생물학 연구소(Institute for Systems Biology)의 구스타보 글루스만(Gustavo Glusman)이 작성한 공개 시각화 도구인 Gestalt Workbench를 사용하여 생성할 수 있다.
생물정보학 도구는 공통 서열을 계산하고 시각화할 수 있다. 도구의 예시로는 JalView와 UGENE이 있다.
분자생물학에서 TATA 박스(TATA box) 또는 골드버그-호그네스 박스(Goldberg–Hogness box)는 고세균과 진핵생물의 유전자 촉진유전자 영역에서 발견되는 DNA의 염기서열이다. TATA 박스의 세균 상동성은 더 짧은 컨센서스 서열을 가진 프리브노우 박스라고 불린다.
TATA 박스는 비암호화 DNA 염기서열 (시스 조절 요소라고도 함)로 간주된다. 반복되는 T와 A 염기쌍으로 특징지어지는 컨센서스 서열을 포함하고 있어 "TATA 박스"라고 불렸다. "박스"라는 용어가 어떻게 생겨났는지는 불분명하다. 1980년대에 쥐 유전체 (생명과학) 유전자자리에서 염기서열을 조사하는 동안, 호그네스 박스 서열이 발견되어 -31 위치에 "박스 안"에 위치했다. 컨센서스 뉴클레오타이드와 대안적인 뉴클레오타이드를 비교했을 때, 연구자들은 상동 영역을 "박스"로 표시했다. 서열을 박스로 표시한 것이 "박스"라는 용어의 기원을 설명한다.
TATA 박스는 1978년 진핵 촉진유전자의 구성 요소로 처음 식별되었다. TATA 함유 유전자에서 전사 (생물학)는 TATA 박스에서 시작된다. TATA 박스는 일부 진핵 유전자에서 TATA-결합 단백질 (TBP) 및 기타 전사인자의 결합 부위이다. RNA 중합효소 II에 의한 유전자 전사는 인핸서 및 사일런서와 같은 장거리 조절 요소에 의한 핵심 촉진유전자의 조절에 달려 있다. 전사의 적절한 조절이 없으면 진핵생물은 환경에 적절하게 반응할 수 없을 것이다.
TATA 박스 개시의 서열과 메커니즘을 기반으로, 이 컨센서스 서열에 대한 결실, 점 돌연변이 및 삽입과 같은 돌연변이는 표현형 변화를 초래할 수 있다. 이러한 표현형 변화는 질병 표현형으로 이어질 수 있다. TATA 박스의 돌연변이와 관련된 일부 질병에는 위암, 척수소뇌성 실조증, 헌팅턴병, 실명, β-지중해 빈혈증, 면역억제, 길버트 증후군 및 HIV-1이 포함된다. TATA-결합 단백질 (TBP)은 또한 바이러스 전사의 수단으로 바이러스에 의해 표적이 될 수 있다.
TATA 박스는 1978년 미국의 생화학자 데이비드 호그네스가 스위스 바젤 대학교에서 안식년을 보내던 중 그의 대학원생 마이클 골드버그와 함께 처음으로 진핵 핵심 촉진유전자 모티프로 식별했다. 그들은 초파리, 포유류 및 바이러스 유전자의 5' DNA 촉진유전자 서열을 분석하는 동안 처음으로 TATA 서열을 발견했다. TATA 박스는 RNA 중합효소 II에 의해 전사되는 단백질 코딩 유전자에서 발견되었다.
TATA 박스에 대한 대부분의 연구는 효모, 인간 및 초파리 유전체에서 수행되었지만, 유사한 요소가 고세균 및 고대 진핵생물에서도 발견되었다. 고세균 종에서 촉진유전자는 전사 시작 부위로부터 약 24bp 상류에 위치한 8bp의 AT 풍부 서열을 포함한다. 이 서열은 원래 Box A라고 불렸으며, 현재는 고세균 TATA-결합 단백질 (TBP)의 상동체와 상호작용하는 서열로 알려져 있다. 또한, 일부 연구에서 몇 가지 유사점이 밝혀졌지만, 고세균 및 진핵 TBP 간에 주목할 만한 차이를 감지한 다른 연구도 있다. 고세균 단백질은 1차 서열과 정전기학 전하 분포에서 더 큰 대칭성을 보이며, 이는 더 높은 대칭성이 단백질이 TATA 박스를 극성 방식으로 결합하는 능력을 낮추기 때문에 중요하다.
TATA 박스가 많은 진핵 촉진유전자에 존재하지만, 대부분의 촉진유전자에는 포함되어 있지 않다. 한 연구에 따르면 인간의 1031개의 잠재적 촉진유전자 영역 중 30% 미만이 추정 TATA 박스 모티프를 포함하고 있다. 초파리에서는 205개의 핵심 촉진유전자 중 40% 미만이 TATA 박스를 포함하고 있다. TATA 박스가 없고 TBP가 존재하지 않을 때, 다운스트림 프로모터 요소 (DPE)는 개시인 요소 (Inr)와 협력하여 전사인자 II D (TFIID)에 결합하여 TATA-없는 촉진유전자에서 전사를 개시한다. DPE는 세 개의 초파리 TATA-없는 촉진유전자와 TATA-없는 인간 IRF-1 촉진유전자에서 확인되었다.
촉진유전자 서열은 세균과 진핵생물 사이에 다르다. 진핵생물에서 TATA 박스는 Rpb4/Rbp7이 전사 (생물학)를 개시하는 시작 부위로부터 25 염기쌍 상류에 위치한다. 후생동물에서 TATA 박스는 전사 시작 부위로부터 30 염기쌍 상류에 위치한다. 반면 효모인 S. cerevisiae에서는 TATA 박스의 위치가 다양하여 시작 부위로부터 40~100bp 상류에 위치할 수 있다. TATA 박스는 또한 액틴 세포골격과 세포의 수축성 고리 장치를 코딩하는 유전자의 촉진유전자 중 40%에서 발견된다.
핵심 촉진유전자 유형은 유전자의 전사 및 발현 수준에 영향을 미친다. TATA-결합 단백질은 RNA 중합효소 II의 보조인자인 SAGA 또는 TFIID에 의해 두 가지 방식으로 모집될 수 있다. 촉진유전자가 SAGA/TATA 박스 복합체를 사용하여 RNA 중합효소 II를 모집할 때, 그들은 TFIID/TBP 모집 방식을 사용하는 촉진유전자보다 더 고도로 조절되며 더 높은 발현 수준을 보인다.
유사 서열.
세균에서 촉진유전자 영역은 진핵 TATA 박스와 유사한 목적을 수행하는 프리브노우 박스를 포함할 수 있다. 프리브노우 박스는 -10 위치 주변에 6bp 영역과 -35 영역 주변에 8-12bp 서열을 가지며 둘 다 보존되어 있다.
CAAT 박스 (또는 CAT 박스)는 5' GGCCAATCT 3'의 컨센서스 서열을 가진 뉴클레오타이드 영역이다. CAAT 박스는 전사 개시 부위로부터 약 75-80 염기 상류, TATA 박스로부터 약 150 염기 상류에 위치한다. 그것은 전사인자 (CAAT TF 또는 CTF)에 결합하여 RNA 중합효소의 더 쉬운 결합을 위해 주변의 전사 개시 복합체를 안정화시킨다. CAAT 박스는 모든 세포 유형에서 유비쿼터스한 단백질을 발현하는 유전자에서는 거의 발견되지 않는다.
서열 및 유병률.
TATA 박스는 진핵 촉진유전자의 구성 요소이며 일반적으로 5'-TATA(A/T)A(A/T)-3'의 컨센서스 서열을 포함한다. 예를 들어 효모에서 한 연구는 다양한 사카로미세스 유전체가 5'-TATA(A/T)A(A/T)(A/G)-3'의 컨센서스 서열을 가지고 있지만, 약 20%의 효모 유전자만이 TATA 서열을 포함하고 있다는 것을 발견했다. 마찬가지로 인간의 유전자 중 24%만이 TATA 박스를 포함하는 촉진유전자 영역을 가지고 있다. TATA 박스를 포함하는 유전자는 세포 스트레스 반응 및 특정 유형의 물질대사와 관련되는 경향이 있으며 TATA-없는 유전자보다 더 고도로 조절된다. 일반적으로 TATA 함유 유전자는 고도로 조절되는 특성 때문에 세포 생장, DNA 복제, 전사 (생물학) 및 번역 (생물학)과 같은 필수 세포 기능에는 관여하지 않는다.
TATA 박스는 일반적으로 전사 시작 부위로부터 25-35 염기쌍 상류에 위치한다. TATA 박스를 포함하는 유전자는 일반적으로 전사 시작 부위 바로 상류에 위치한 개시인 요소 부위와 다운스트림 프로모터 요소 (DCE)를 포함한 추가적인 촉진유전자 요소를 필요로 한다. 이러한 추가 촉진유전자 영역은 TATA 박스와 함께 작동하여 진핵생물에서 전사 개시를 조절한다.
전사 개시에서의 역할.
TATA 박스는 전사 개시 복합체 형성 부위이며, 이는 진핵생물에서 전사 개시의 첫 번째 단계이다. 전사 개시 복합체의 형성은 다중 서브유닛 전사인자 II D (TFIID)가 TATA-결합 단백질 서브유닛을 통해 TATA 박스에 결합할 때 시작된다. TBP는 단백질의 역평행 베타 병풍 영역을 통해 TATA 박스의 작은 홈에 결합한다. 세 가지 유형의 분자 상호작용이 TATA-결합 단백질이 TATA 박스에 결합하는 데 기여한다.
또한, TATA-결합 단백질의 결합은 TATA 박스 주변의 DNA (G-C가 풍부한 서열로 구성됨)와의 안정화 상호작용에 의해 촉진된다. 이러한 2차 상호작용은 DNA의 굽힘과 나선 풀림을 유도한다. DNA 굽힘 정도는 종과 서열에 따라 다르다. 예를 들어, 한 연구는 아데노바이러스 TATA 촉진유전자 서열 (5'-CGCTATAAAAGGGC-3')을 모델 결합 서열로 사용하여 인간 TBP가 TATA 박스에 결합하면 큰 홈 쪽으로 97° 굽힘이 유도되는 반면, 효모 TBP 단백질은 82° 굽힘만 유도한다는 것을 발견했다. TBP/TATA-박스 복합체의 엑스선결정학 연구는 일반적으로 TBP 결합 과정에서 DNA가 약 80° 굽힘을 겪는다는 데 동의한다.
TATA-결합 단백질이 TATA 박스에 결합하여 유도되는 형태 변화는 추가적인 전사인자 및 RNA 중합효소 II가 촉진유전자 영역에 결합할 수 있도록 한다. TFIID는 먼저 TATA 박스에 결합하며, 이는 TFIIA가 TFIID 복합체의 상류 부분에 결합함으로써 촉진된다. TFIIB는 TATA 박스의 상류 및 하류 상호작용을 통해 TFIID-TFIIA-DNA 복합체에 결합한다. RNA 중합효소 II는 TFIIF의 도움으로 이 다중 단백질 복합체에 모집된다. 그런 다음 추가적인 전사인자들이 결합하는데, 먼저 TFIIE, 그 다음 TFIIH이다. 이것은 진핵생물 전사를 위한 전사 개시 복합체의 조립을 완료한다.
RNA 중합효소 II와 다양한 전사인자들의 이 클러스터는 기본 전사 복합체(BTC)로 알려져 있다. 이 상태에서는 낮은 수준의 전사만을 수행한다. 전사 수준을 높이려면 다른 요소들이 BTC를 자극해야 한다. 이러한 BTC 자극 DNA 영역의 한 예는 CAAT 박스이다. 매개자 복합체, 전사 조절 단백질, 뉴클레오솜 변형 효소를 포함한 추가 요소들도 생체내에서 전사 (생물학)를 향상시킨다.
특정 세포 유형 또는 특정 촉진유전자에서 TBP는 여러 TBP 관련 인자(초파리의 TRF1, 후생동물의 TBPL1/TRF2, 척추동물의 TBPL2/TRF3) 중 하나로 대체될 수 있으며, 이들 중 일부는 TATA-결합 단백질과 유사하게 TATA 박스와 상호작용한다. TATA 박스와 다양한 활성인자 또는 억제자의 상호작용은 여러 방식으로 유전자의 전사 (생물학)에 영향을 미칠 수 있다. 인핸서는 촉진유전자 활성을 증가시키는 장거리 조절 요소인 반면, 사일런서는 촉진유전자 활성을 억제한다.
TATA 박스에 대한 돌연변이는 결실 또는 삽입에서 점 돌연변이까지 다양하며, 돌연변이된 유전자에 따라 다양한 영향을 미 미친다. 이 돌연변이는 전사 (생물학) 개시를 위한 TATA-결합 단백질의 결합을 변화시킨다. 따라서 발현되지 않는 유전자에 따라 표현형의 변화가 발생한다 (그림 3).
삽입 또는 결실.
TATA 박스 돌연변이에 대한 최초의 연구 중 하나는 근두암종병의 옥토핀형 사이토키닌 유전자의 DNA 서열을 조사했다. 이 특정 유전자에는 세 개의 TATA 박스가 있다. 세 개의 TATA 박스가 모두 결실되었을 때만 표현형 변화가 관찰되었다. 마지막 TATA 박스와 전사 시작 부위 사이에 추가 염기쌍이 삽입되면 시작 부위가 이동하여 표현형 변화가 발생했다.  이 원래 돌연변이 연구에서 전사를 촉진하는 TATA 박스가 없을 때 전사의 변화가 나타나지만, 서열에 삽입이 있을 때는 유전자의 전사가 발생할 것이다. 결과적인 표현형의 특성은 삽입으로 인해 영향을 받을 수 있다.
옥수수 촉진유전자의 돌연변이는 식물 기관 특이적인 방식으로 촉진유전자 유전자의 발현에 영향을 미친다. TATA 박스의 중복은 배아방패와 뿌리에서 효소 활성을 크게 감소시키지만, 꽃가루 효소 수준에는 영향을 미치지 않는다. TATA 박스의 결실은 배아방패와 뿌리에서 효소 활성을 약간 감소시키지만, 꽃가루에서 효소 수준을 크게 감소시킨다.
점 돌연변이.
TATA 박스에 대한 점 돌연변이는 영향을 받는 유전자에 따라 유사하게 다양한 표현형 변화를 갖는다. 연구에 따르면 TATA 박스 서열 내 돌연변이의 위치가 TATA-결합 단백질의 결합을 방해한다는 것도 나타났다. 예를 들어, TATAAAA에서 CATAAAA로의 돌연변이가 전사 (생물학)를 변화시키기에 충분히 결합을 완전히 방해하지는 않지만, 인접 서열은 변화가 있는지 여부에 영향을 미칠 수 있다. 그러나 헬라 세포에서 TATAAAA가 TATACAA로 변하면 전사 (생물학)가 20배 감소하는 것을 볼 수 있다. 특정 유전자 전사 (생물학)의 이러한 불충분성으로 인해 발생할 수 있는 일부 질병은 다음과 같다.  지중해 빈혈증, 폐암, 만성 용혈성 빈혈, 면역억제, 혈우병 B 라이든, 혈전정맥염 및 심근 경색이다.
Savinkova 외 연구진은 선택된 TATA 박스 서열과 TATA-결합 단백질에 대한 KD 값을 예측하는 시뮬레이션을 작성했다. 이것은 TATA-결합 단백질이 TATA 박스에 얼마나 단단히 결합하는지에 따라 선택된 돌연변이로 인한 표현형 특성을 직접 예측하는 데 사용될 수 있다.
TATA 박스 영역의 돌연변이는 전사 개시를 위한 TATA-결합 단백질의 결합에 영향을 미치며, 이는 운반자가 질병 표현형을 가질 수 있게 한다.
위암은 TATA 박스 다형성 (생물학)과 관련이 있다. TATA 박스에는 PG2 유전자의 전사인자 결합 부위가 있다. 이 유전자는 PG2 혈청을 생성하며, 이는 위암의 신생물에 대한 바이오마커로 사용된다. 더 긴 TATA 박스 서열은 더 높은 수준의 PG2 혈청과 관련되어 위암 상태를 나타낸다. 더 짧은 TATA 박스 서열을 가진 운반자는 더 낮은 수준의 PG2 혈청을 생성할 수 있다.
몇몇 신경계 질환은 TATA 박스 돌연변이와 관련이 있다. 척수소뇌성 실조증과 헌팅턴병 두 가지 질환이 강조되었다. 척수소뇌성 실조증에서는 TATA-결합 단백질의 폴리글루타민 반복 확장으로 인해 질병 표현형이 발생한다. 환자의 뇌 조직에서 단백질 응집체가 나타나듯이 이러한 폴리글루타민-TBP 세포의 축적이 발생하여 신경 세포 손실을 초래한다.
실명은 TATA 박스가 MicroRNA에 의해 산화 스트레스 유전자 수준을 증가시키기 위해 표적화될 때 과도한 백내장 형성으로 인해 발생할 수 있다. MicroRNA는 3'-비번역 영역을 표적화하고 TATA 박스에 결합하여 산화 스트레스 관련 유전자의 전사 (생물학)를 활성화할 수 있다.
TATA 박스의 단일염기 다형성은 B-지중해 빈혈증, 면역억제 및 기타 신경계 질환과 관련이 있다. 단일염기 다형성은 TBP/TATA 복합체를 불안정화시켜 TATA-결합 단백질이 TATA 박스에 결합하는 속도를 현저히 감소시킨다. 이는 전사 (생물학) 수준을 낮추어 질병의 심각도에 영향을 미친다. 연구 결과는 지금까지 시험관내 상호작용을 보여주었지만, 결과는 생체내와 비교할 수 있을 것이다.