Пространственно-временная экспрессия генов - Spatiotemporal gene expression

Паттерны экспрессии генов регулируются как в пространстве, так и во времени у эмбрионов Drosophila melanogaster.

Пространственно-временная экспрессия генов это активация из гены в рамках конкретных ткани организма в определенное время во время разработка. Паттерны активации генов сильно различаются по сложности. Некоторые из них просты и статичны, например, шаблон тубулин, который проявляется во всех клетках во все времена жизни. С другой стороны, некоторые из них чрезвычайно сложны, их трудно предсказать и смоделировать, поскольку экспрессия сильно колеблется от минуты к минуте или от клетки к клетке. Пространственно-временные вариации играют ключевую роль в создании разнообразия типы клеток содержится в развитых организмах; поскольку идентичность клетки определяется набором генов, активно экспрессируемых в этой клетке, если экспрессия генов была однородной в пространстве и во времени, мог быть не более одного вида клеток.

Рассмотрим ген бескрылый член wnt семейство генов. В раннем эмбриональном развитии модельного организма Drosophila melanogaster, или плодовая муха, бескрылый экспрессируется почти на всем эмбрионе в виде чередующихся полос, разделенных тремя клетками. Эта закономерность теряется к тому времени, когда организм превращается в личинку, но бескрылый все еще экспрессируется в различных тканях, таких как крыло имагинальные диски, участки ткани, которые разовьются во взрослые крылья. В пространственно-временная картина из бескрылый экспрессия гена определяется сеть регуляторных взаимодействий, состоящих из эффектов множества различных генов, таких как четный и Krüppel.

Что вызывает пространственные и временные различия в экспрессии одного гена? Поскольку текущие паттерны экспрессии строго зависят от предыдущих паттернов экспрессии, возникает регрессивная проблема объяснения того, что вызвало первые различия в экспрессии генов. Процесс, благодаря которому однородная экспрессия генов становится пространственно и временной дифференциацией, известен как нарушение симметрии. Например, в случае эмбрионального Дрозофила развитие, гены нано и бикоид асимметрично выражены в ооцит потому что материнские клетки откладывают информационная РНК (мРНК) этих генов в полюсах яйца до того, как оно проложенный.

Гамма-кристаллический промотор управляет экспрессией репортерного гена зеленого флуоресцентного белка исключительно в глазу взрослой лягушки.

Выявление пространственно-временных закономерностей

Один из способов определить паттерн экспрессии конкретного гена - поместить репортерный ген ниже его промотора. В этой конфигурации промоторный ген будет вызывать экспрессию репортерного гена только там, где и когда экспрессируется интересующий ген. Распределение экспрессии репортерного гена можно определить путем его визуализации. Например, репортерный ген зеленый флуоресцентный белок можно визуализировать, стимулировав его синим светом, а затем используя цифровая камера записывать зеленый флуоресцентный эмиссия.

Если промотор интересующего гена неизвестен, есть несколько способов определить его пространственно-временное распределение. Иммуногистохимия включает подготовку антитело со специфическим сродством к белку, связанному с интересующим геном. Затем это распределение этого антитела можно визуализировать с помощью такой техники, как флуоресцентное мечение. Иммуногистохимия имеет преимущества в том, что она методологически осуществима и относительно недорога. К его недостаткам можно отнести неспецифичность антитела, приводящую к ложный положительный результат идентификация выражения. Плохое проникновение антитела в ткань-мишень может привести к ложноотрицательный полученные результаты. Кроме того, поскольку иммуногистохимия визуализирует белок, генерируемый геном, если белковый продукт диффундирует между клетками или имеет особенно короткий или длинный период полураспада относительно мРНК что привык переведите белка, это может привести к искаженной интерпретации того, какие клетки экспрессируют мРНК.

Гибридизации in situ генов, экспрессируемых в артериях (вверху) и венах (внизу) у рыбок данио. Окрашивание синим цветом указывает на присутствие мРНК гена. Панели слева - нормальные животные, а животные справа - мутировавшие в гене Notch. Рыбы без Notch имеют меньше артерий и больше вен на этом этапе развития.

На месте гибридизация альтернативный метод, в котором «зонд», синтетический нуклеиновая кислота с последовательностью дополнительный мРНК гена добавляется к ткани. Затем этот зонд химически маркируется, чтобы его можно было визуализировать позже. Этот метод позволяет визуализировать именно мРНК-продуцирующие клетки без каких-либо артефактов, связанных с иммуногистохимией. Однако это, как известно, сложно и требует знания последовательность из ДНК соответствующий интересующему гену.

Метод под названием энхансер-ловушка скрининг выявляет разнообразие пространственно-временных паттернов экспрессии генов, возможных в организме. В этом методе ДНК, кодирующая репортерный ген, случайным образом вставляется в геном. В зависимости от гена промоутеры проксимальнее точки вставки, репортерный ген будет экспрессироваться в определенных тканях в определенных точках развития. Хотя паттерны экспрессии, полученные от энхансера и ловушки, не обязательно отражают действительные паттерны экспрессии конкретных генов, они обнаруживают разнообразие пространственно-временных паттернов, доступных для эволюции.

Репортерные гены можно визуализировать в живых организмах, но как иммуногистохимия, так и на месте гибридизация должна проводиться в фиксированный ткани. Методы, требующие фиксации ткани, могут создать только одну временную точку для отдельного организма. Однако использование живых животных вместо фиксированной ткани может иметь решающее значение для динамического понимания паттернов экспрессии на протяжении всей жизни человека. В любом случае, различия между людьми могут затруднить интерпретацию временных паттернов экспрессии.

Методы контроля пространственно-временной экспрессии генов

Используются несколько методов контроля экспрессия гена пространственно, временно и в разной степени. Один из способов - использовать оперон система индуктор / репрессор, обеспечивающая временный контроль экспрессии генов. Для управления экспрессией генов в пространстве разрабатываются струйные принтеры для печати лигандов на гелевой культуре.[1] Другой популярный метод включает использование света для пространственно-временного контроля экспрессии генов. Поскольку свет также можно легко контролировать в пространстве, времени и степени, несколько методов контроля экспрессии генов на уровне ДНК и РНК[2] разработаны и изучаются. Например, вмешательство РНК можно контролировать с помощью света.[3][4] а также формирование паттерна экспрессии генов было выполнено в монослое клеток[5] и у эмбрионов рыбок данио с использованием клеток морфолино[6] или же пептидная нуклеиновая кислота[7][8][9] демонстрируя пространственно-временный контроль экспрессии генов. Недавно был продемонстрирован контроль на основе света на уровне ДНК с использованием системы на основе трансгенов.[10] или заключенный в клетку триплекс, образующий олиго[11]

Рекомендации

  1. ^ Коэн, диджей; Морфино, RC; Махарбиз, ММ (2009). «Модифицированный потребительский струйный принтер для пространственно-временного контроля экспрессии генов». PLOS ONE. 4 (9): e7086. Дои:10.1371 / journal.pone.0007086. ЧВК  2739290. PMID  19763256.
  2. ^ Андо, Хидеки; Фурута, Тошиаки; Tsien, Roger Y .; Окамото, Хитоши (2001). «Фотопосредованная активация генов с использованием клеточной РНК / ДНК в эмбрионах рыбок данио». Природа Генетика. 28 (4): 317–325. Дои:10,1038 / ng583. PMID  11479592. S2CID  6773535.
  3. ^ Шах, Самит; Рангараджан, Субхашри; Фридман, Саймон Х. (2005). «Светоактивированная интерференция РНК». Angewandte Chemie International Edition. 44 (9): 1328–1332. Дои:10.1002 / anie.200461458. PMID  15643658.
  4. ^ Микат, Вера; Хекель, Александр (2007). «Светозависимая РНК-интерференция с миРНК в клетках азотистых оснований». РНК. 13 (12): 2341–2347. Дои:10.1261 / rna.753407. ЧВК  2080613. PMID  17951332.
  5. ^ Джайн, Пиюш К .; Шах, Самит; Фридман, Саймон Х. (2011). «Формирование паттерна экспрессии генов с использованием новых фотолабильных групп, применяемых к светоактивированной РНКи». Журнал Американского химического общества. 133 (3): 440–446. Дои:10.1021 / ja107226e. PMID  21162570. S2CID  207058522.
  6. ^ Шестопалов Илья А; Чен, Джеймс К. (2011). Пространственно-временной контроль экспрессии эмбриональных генов с использованием морфолино в клетках. Методы клеточной биологии. 104. С. 151–72. Дои:10.1016 / B978-0-12-374814-0.00009-4. ISBN  9780123748140. ЧВК  4408312. PMID  21924162.
  7. ^ Тан, Синьцзин; Маэгава, Синго; Вайнберг, Эрик С .; Дмоховский, Иван Дж. (2007). «Регулирование экспрессии генов в эмбрионах рыбок данио с использованием светоактивированных, отрицательно заряженных пептидных нуклеиновых кислот». Журнал Американского химического общества. 129 (36): 11000–11001. Дои:10.1021 / ja073723s. PMID  17711280.
  8. ^ Александр Хекель, Гюнтер Майер, «Химическая биология нуклеиновых кислот», глава 13. Светочувствительные нуклеиновые кислоты для пространственно-временного контроля биологических процессов. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/9780470664001.ch13/summary
  9. ^ Гован, Дж. М.; Deiters (2012) "Активация и дезактивация антисмысловой и интерференционной функции РНК светом A. От последовательностей нуклеиновых кислот до молекулярной медицины (редакторы В. А. Эрдманн и Дж. Барцишевски)", Springer, Heidelberg, https://doi.org/10.1007%2F978-3-642-27426-8_11
  10. ^ Ван, Х; Чен, Х; Ян, Y (2012). «Пространственно-временной контроль экспрессии генов с помощью трансгенной системы с переключением света». Нат методы. 9 (3): 266–9. Дои:10.1038 / nmeth.1892. PMID  22327833. S2CID  26529717.
  11. ^ Govan, Jeane M .; Упрети, Раджендра; Хемфилл, Джеймс; Живо, Марк О .; Дейтерс, Александр (2012). «Регулирование транскрипции посредством световой активации и световой дезактивации триплекс-образующих олигонуклеотидов в клетках млекопитающих». ACS Chem. Биол. 7 (7): 1247–1256. Дои:10.1021 / cb300161r. ЧВК  3401312. PMID  22540192.

внешняя ссылка