Е-бокс

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Е-бокс (Enhancer Box) — ДНК-последовательность, найденная в некоторых промоторных областях у эукариот, которые действует в качестве связывающего сайта белка и, как было установлено, регулируют экспрессию генов в нейронах, мышцах и других тканях.[1] Спецификация такой ДНК-последовательности — CANNTG (где N может быть любой нуклеотид), с палиндромной канонической последовательностью[en]. CACGTG[2] распознаётся и связывается факторами транскрипции для инициации транскрипции генов. После того, как факторы транскрипции связываются с промоторами через E-бокс, другие ферменты могут связываться с промотором и облегчать транскрипцию мРНК из ДНК.

Открытие[править | править вики-текст]

E-бокс был обнаружен в сотрудничестве между Сусуму Тонегава (англ. Susumu Tonegawa) и Уолтером Гилбертом (англ. Walter Gilbert) лабораториями в 1985 году в качестве элемента управления иммуноглобулином тяжелой цепью усилителей.[3][4] Они обнаружили, что область 140 спаренных оснований в тканеспецифической транскрипции усилительного элемента было достаточно для повышения различных уровней транскрипции в различных тканях и последовательностях. Они предположили, что белки, созданные определенными тканями, участвуют в этих этих усилителях, чтобы активировать наборы генов при дифференцировке клеток.

В 1989 году лаборатория Дэвида Балтимора обнаружили первые два связанных Е-боксом белка, E12 и E47.[5] Эти усилители иммуноглобулинов можно связать, как гетеродимеры белков через bHLH домены. В 1990 году на примере другого E-белка, ITF-2A (позднее переименованный в E2-2Alt) было обнаружено, что можно привязать иммуноглобулин к легкой цепи усилителей.[6] Два года спустя, третий E-бокс, связывающий белок, HEB, был обнаружен при обследовании кДНК библиотеки из HeLa клеток.[7] Вариант сплайсинга E2-2 был обнаружен в 1997 г. и была обнаружена ингибиция промотора мышечноспециализированными генами.[8]

С тех пор, исследователи установили, что E-бокс влияет на транскрипцию генов у некоторых эукариот и нашел связывающие факторы Е-бокса, которые идентифицируют консесуальные последовательности[en] E-Box.[9] В частности, несколько экспериментов показали, что E-бокс неотъемлемая часть транскрипционно-трансляционной, петли обратной связи, которая содержит циркадные часы .

Связывание с помощью Е-бокса[править | править вики-текст]

Связывающие белки E-боксов играют важную роль в регуляции транскрипционной активности. Эти белки обычно содержат основной спираль-петля-спираль (англ. Basic helix-loop-helix) структурный мотив белка, который позволяет им связываться как димеры.[10] Этот мотив состоит из двух амфипатических α-спиралей, разделенных небольшой последовательностью аминокислот, образующих один или более β-поворотов. В гидрофобных взаимодействиях между этими α-спиралями стабилизируется димеризация. Кроме того, каждый мономер bHLH имеет основную область, которая помогает взаимному опознаванию между мономером bHLH и E-боксом (основная область взаимодействует с большим желобком ДНК). В зависимости от мотива ДНК («CAGCTG» или «CACGTG») белок bHLH имеет различный набор основных остатков.

Относительное положение CTRR и E-Box

Связывание Е-боксом модулируется у мышей посредством Zn2+. CT-Rich регионы (CTRR), расположенные на примерно 23 нуклеотида выше Е-бокса, имеют важное значение для связывания E-боксом, трансактивации (увеличение скорости генетической экспрессии), и транскрипции циркадных генов BMAL1/NPAS2 и BMAL1/CLOCK комплексов.[11]

Специфичность связывания различных Е-боксов отражается на их функции. E-боксы с различными функциями имеют различное количество и тип факторов связывания.[12]

Консенсуальная последовательность E-бокса, как правило, — CANNTG; Однако, существуют другие Е-боксы со сходными последовательностями, называемые неканонические E-боксами. Они включают, но не ограничиваются ими:

  • CACGTT последовательность 20 bp выше гена PER2 и регулирует свою экспрессию[13]
  • CAGCTT последовательность использует MyoD как основной усилитель[14]
  • CACCTCGTGAC последовательность в проксимальной промоторной области человеческого и крысиного APOE, являющегося белковым компонентом липопротеинов.[15]

Роль в циркадных часах[править | править вики-текст]

Связь между генным регулированием Е-боксов и и циркадными часами была обнаружена в 1997 году, когда Хао, Аллен, и Хардин (Биологический факультет в Техасском университете A&M) проанализировали ритмичность периода осцилляций гена в Drosophila melanogaster.[16] Они нашли циркадный усилитель транскрипции гена в 69 bp фрагмента ДНК. В зависимости от уровней белков, усилитель повышает уровни транскрипции мРНК как в условиях LD (свет-темнота), так и DD (постоянная темнота). Усилитель был необходим для повышения уровня экспрессии гена, но не для циркадной ритмичности. Он также работает независимо как цель BMAL1/CLOCK комплекса.

E-бокс играет важную роль в циркадных генах; до сих пор, девять управляемых циркадных генов были идентифицированы: PER1, Per2, BHLHB2, BHLHB3, CRY1, DBP, Nr1d1, Nr1d2 и RORC.[17] Так как E-бокс подключен к нескольким циркадным генам, возможно, что гены и белки, связанные с ним «важные и уязвимые точки в циркадной системе».[18]

E-бокс является одним из пяти крупнейших семей транскрипционных факторов, связанных с циркадной фазой и находится в большинстве тканей.[19] Всего 320 E-боксов, управляющих генами, находятся в SCN (супрахиазматическое ядро), печени, аорты, надпочечников, WAT (белой жировой ткани), головного мозга, предсердия, желудочка, префронтальной коры, скелетных мышц, ВАТ (бурой жировой ткани) и кости свода черепа.

E-бокс, подобно CLOCK-зависимым элементам (EL-box; GGCACGAGGC) также важен в поддержании циркадной ритмичности в clock-управляющих генах . Аналогично обычному E-боксу, E-бокс, подобный clock-управляющим элементам, может также вызвать транскрипцию BMAL1/CLOCK, которая затем может привести к экспрессии в других EL-box, содержащих гены (Ank, DBP, Nr1d1).[20] Тем не менее, есть различия между EL-box и регулярным E-боксом. Подавление Dec1 и DEC2 имеет сильное влияние на E-бокс, чем на EL-box. Кроме того, Hes1, который может связываться с другой консенсуальной последовательностью (CACNAG, известной как N-box), показывает эффект подавления в EL-box, но не в E-боксе.

Оба неканонические E-бокс и подобная E-бокс последовательность, имеют решающее значение для циркадного колебания. Последние исследования в этой области формирует гипотезу, что каждый канонический или неканоническими E-бокс, следующий за подобной Е-бокс последовательностью, с интервалом 6 спаренных оснований между ними, — необходимое сочетание для циркадной транскрипции.[21] Силикоанализ также показывает, что интервал существовал и у других известных clock-управляющих генов.

Роль белков в связывании E-боксов[править | править вики-текст]

Есть несколько белков, которые связываются с E-боксом и влияют на транскрипцию генов .

Комплекс CLOCK-BMAL1[править | править вики-текст]

Этот комплекс является неотъемлемой частью циркадного цикла млекопитающих и имеет жизненно важное значение в поддержании циркадной ритмичности.

Зная, что связывание активирует транскрипцию гена в промоторной области, исследователи обнаружили в 2002 году, что в DEC1 и DEC2 (транскрипционные факторы bHLH) репрессируют комплекс CLOCK-BMAL1 посредством прямого взаимодействия на BMAL1 и/или конкуренции для элементов Е-бокса. Они пришли к выводу, что DEC1 и DEC2 были регуляторами молекулярных часов млекопитающих.[22]

В 2006 году Риппергер и Шиблер обнаружили, что связывание этого комплекса E-боксом ускоряет циркадную транскрипцию DBP и переходы хроматина (изменение от хроматина до факультативного гетерохроматина).[23] Был сделан вывод, что CLOCK регулирует экспрессию DBP путём связывания с E-боксом мотивов усиливающих областей, расположенных в первом и втором интронах.

C-Myc (онкоген)[править | править вики-текст]

C-Myc , ген, кодирующий транскрипционный фактор Myc, играет важную роль в регулировании клеточной пролиферации и апоптоза млекопитающих.

В 1991 году исследователи протестировали, может ли с-Мус связываться с ДНК путём димеризации его с E12. Димеры химерного белка с E6 , способны связываться с элементом E-бокса (GGCCACGTGACC), который был опознаваем другими белками HLH.[24] Экспрессия E6 подавила функцию с-Мус, которая определяла связь между ними обоими.

В 1996 году было обнаружено, что Мус гетеродимеризуется с MAX и что этот гетеродимерный комплекс может связываться с CAC (G/A)TG последовательностью Е-бокса и активировать транскрипцию.[25]

В 1998 году был сделан вывод, что функция с-Мус зависит от активации транскрипции определенных генов через элементы E-бокса.[26]

MyoD[править | править вики-текст]

MyoD происходит от семьи Mrf bHLH и его основная роль заключается в миогенезе, формировании мышечной ткани.[9] Другие члены этого семейства включают миогенин, Myf5, Myf6, Mist1 и NEX-1.

Когда MyoD связывается с мотивом CANNTG E-бокса, инициируется мышечная дифференцировка и экспрессия мышечно-специфических белков.[27] Исследователи удаляли различные части рекомбинантной MyoD и пришли к выводу, что MyoD использует включённые элементы, чтобы связать E-бокс и тетраплексную структуру промоторной последовательности мышечно-специфического гена интегрина α7 и саркомерного sMtCK .

MyoD регулирует HB-EGF (связывающий гепарин EGF-подобный фактор роста[en]), член семьи EGF (Эпидермальный фактор роста), стимулирует рост и пролиферацию клеток.[9] Он играет важную роль в развитии гепатоцеллюлярной карциномы, рака предстательной железы, рака молочной железы, рака пищевода, и рака желудка.

MyoD может также связываться с неканоническими E-боксами MyoG и регулировать свою экспрессию.[28]

MyoG[править | править вики-текст]

MyoG принадлежит семейству факторов транскрипции MyoD. Связывающий MyoG Е-бокс является необходимым для формирования нервно-мышечного синапса в качестве сигнального пути HDAC-Dach2-миогенина в экспрессии генов скелетных мышц.[29] У пациентов с симптомом атрофии мышц была выявлена пониженная экспрессией MyoG.[30]

MyoG и MyoD, как также было выявлено, обладают дифференциацией миобластов.[31] Они действуют путём трансактивации катепсином B промоторной активности и вызывают его экспрессию в мРНК.

E47[править | править вики-текст]

E47 производится путём альтернативного сплайсинга Е2А в E47 специфически кодированных bHLH экзонов. Его роль заключается в регулировании специфической экспрессии гена в ткани и дифференциации. Многие киназы были связаны с Е47 в том числе 3PK и MK2. Эти два белка образуют комплекс с Е47 и уменьшают его транскрипционную активность.[32] CKII и PKA, как также было выявлено in vitro, фосфорилируют E47.[33][34][35]

Как и в других E-боксах, связывающих белки, E47 также связывается с последовательностью CANNTG в E-боксе. У гомозиготных нокаутных мышей E2A, развитие В-клеткок останавливается до стадии размещения DJ и В-клетки не могут созревать.[36] E47, как было выявлено, связывается как гетеродимер (с E12)[37] или как гомодимер (но слабее).[38]

Последние исследования[править | править вики-текст]

Хотя структурная основа взаимодействия BMAL1/CLOCK с E-боксом неизвестна, недавние исследования показали, что мотивы bHLH белковых доменов BMAL1/CLOCK очень похожи на bHLH других содержащих его белков, например, Myc/Max, кристализованных E-боксами.[39] Это предполагает, что необходимы специфические основания, для поддержки этого высокого сродства связывания. Кроме того, ограничения последовательности в области вокруг циркадного E-бокса полностью не изучены: это, как полагают, необходимо, но не достаточно; E-боксы должны быть случайным образом разнесены друг от друга в генетической последовательности для того, чтобы происходила циркадная транскрипция. Последние исследования E-боксов была направлены на то, чтобы найти больше связываемых белков, а также открыть больше механизмов для ингибирования связывания.

Недавнее исследование Университета Упсалы в Швеции связывает комплекс AST2-Rack1 с ингибицией связывания комплекса BMAL1-CLOCK с Е-боксом.[40] Исследователи изучили роль Astakine-2 в индуцированном мелатонином циркадном регулировании у ракообразных и обнаружили, что AST2 необходим для ингибирования связывания комплекса BMAL1-CLOCK с E-боксом. Кроме того, они обнаружили, что секреция мелатонина отвечает за регулирование экспрессии AST2 и предположили, что ингибирование связывания E-бокса влияет на CLOCK у любого животного с молекулами AST2.

Исследователи из Медицинской школы университета Нанкин обнаружили, что амплитуда FBXL3 (F-бокс/богатых лейцином повторов белка) экспрессируется через E-бокс.[41] Они изучали мышей с дефицитом FBXL3 и обнаружили, что он регулирует петлю обратной связи в циркадных ритмах, влияя на циркадный период.

Исследование, опубликованное 4 апреля 2013 исследователями Гарвардской медицинской школы обнаружило, что нуклеотиды по обе стороны от E-бокса влияют на то, какие транскрипционные факторы могут связываться с самим E-боксом.[42] Эти нуклеотиды определяют 3-D пространственное расположение нити в ДНК и ограничивают размер связывания факторов транскрипции. Исследование также показало различия в связывании матриц между естественными условиями и в пробирке (in vivo и in vitro).

Примечания[править | править вики-текст]

  1. (2000) «Helix-loop-helix proteins: regulators of transcription in eucaryotic organisms». Molecular and Cellular Biology 20 (2): 429–440. DOI:10.1128/mcb.20.2.429-440.2000. PMID 10611221.
  2. (May 1999) «Basic helix-loop-helix proteins can act at the E-box within the serum response element of the c-fos promoter to influence hormone-induced promoter activation in Sertoli cells». Mol Endocrinol 13 (5): 774–786. DOI:10.1210/mend.13.5.0271. PMID 10319327.
  3. (1985) «B lineage-specific interactions of an immunoglobulin enhancer with cellular factors in vivo». Science 227 (4683): 134–140. DOI:10.1126/science.3917574. PMID 3917574.
  4. (1985) «Cell-type-specific contacts to immunoglobulin enhancers in nuclei». Nature 313 (6005): 798–801. DOI:10.1038/313798a0. PMID 3919308. Bibcode1985Natur.313..798C.
  5. (Aug 1989) «Interactions between heterologous helix-loop-helix proteins generate complexes that bind specifically to a common DNA sequence». Cell 58 (3): 537–544. DOI:10.1016/0092-8674(89)90434-0. PMID 2503252.
  6. (1990) «Two distinct transcription factors that bind the immunoglobulin enhancer microE5/kappa 2 motif». Science 247 (4941): 467–470. DOI:10.1126/science.2105528. PMID 2105528. Bibcode1990Sci...247..467H.
  7. (1992) «HEB». Mol Cell Biol 12 (3): 1031–1042. PMID 1312219.
  8. (Jan 1997) «Physical and functional interactions between the transcriptional inhibitors Id3 and ITF-2b. Evidence toward a novel mechanism regulating muscle-specific gene expression». J Biol Chem 272 (4): 2459–2463. DOI:10.1074/jbc.272.4.2459. PMID 8999959.
  9. 1 2 3 Mädge B.: E-Box. In: Schwab M. (Ed.) Encyclopedia of Cancer: SpringerReference (www.springerreference.com). Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2009. DOI:10.1007/SpringerReference_173452
  10. (Apr 1994) «Crystal structure of transcription factor E47: E-box recognition by a basic region helix-loop-helix dimer». Genes Dev 8 (8): 970–980. DOI:10.1101/gad.8.8.970. PMID 7926781.
  11. Muñoz (2006). «Modulation of BMAL/CLOCK/E-Box complex activity by a CT-rich cis-acting element». Molecular and Cellular Endocrinology 252 (1–2): 74–81. DOI:10.1016/j.mce.2006.03.007. PMID 16650525.
  12. Bose (2010). «Episodes of prolactin gene expression in GH3 cells are dependent on selective promoter binding of multiple circadian elements». Endocrinology 151 (5): 2287–2296. DOI:10.1210/en.2009-1252. PMID 20215567.
  13. (2005) «A noncanonical E-box enhancer drives mouse Period2 circadian oscillations in vivo». Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102 (7): 2608–2613. DOI:10.1073/pnas.0409763102. PMID 15699353.
  14. (2012) «A non-canonical E-box within the MyoD core enhancer is necessary for circadian expression in skeletal muscle». Nucleic Acids Res. 40 (8): 3419–3430. DOI:10.1093/nar/gkr1297. PMID 22210883.
  15. (Mar 2003) «». Biochem J. 370 (3): 979–986.
  16. (Jul 1997) «A circadian enhancer mediates PER-dependent mRNA cycling in Drosophila melanogaster». Mol Cell Biol 17 (7): 3687–3693. PMID 9199302.
  17. Panda, S (May 2002). «Coordinated transcription of key pathways in the mouse by the circadian clock». Cell 109 (3): 307–320. DOI:10.1016/S0092-8674(02)00722-5. PMID 12015981.
  18. Herzog, Erik (October 2007). «Neurons and networks in daily rhythms». Nature Reviews Neuroscience 8 (10): 790–802. DOI:10.1038/nrn2215. PMID 17882255.
  19. Yan, Jun (October 2008). «Analysis of Gene Regulatory Networks in the Mammalian Circadian Rhythm». PLOS Computational Biology 4 (10): e1000193. DOI:10.1371/journal.pcbi.1000193. PMID 18846204. Bibcode2008PLSCB...4E0193Y.
  20. Ueshima, T (December 2012). «Identification of a new clock-related element EL-box involved in circadian regulation by BMAL1/CLOCK and HES1.». Gene 510 (2): 118–125. DOI:10.1016/j.gene.2012.08.022. PMID 22960268.
  21. Nakahata, Y (January 2008). «A direct repeat of E-box-like elements is required for cell-autonomous circadian rhythm of clock genes». BMC Mol Biol 9 (1): 1. DOI:10.1186/1471-2199-9-1. PMID 18177499.
  22. (2002) «Dec1 and Dec2 are regulators of the mammalian molecular clock». Nature 419 (6909): 841–844. DOI:10.1038/nature01123. PMID 12397359. Bibcode2002Natur.419..841H.
  23. (Mar 2006) «Rhythmic CLOCK-BMAL1 binding to multiple E-box motifs drives circadian Dbp transcription and chromatin transitions». Nat. Genet 38 (3): 369–374. DOI:10.1038/ng1738. PMID 16474407.
  24. (Jan 1991) «Methylation-sensitive sequence-specific DNA binding by the c-Myc basic region». Science 251 (4990): 186–189. DOI:10.1126/science.1987636. PMID 1987636. Bibcode1991Sci...251..186P.
  25. (Feb 1996) «Discrimination between different E-box-binding proteins at an endogenous target gene of c-myc». Genes Dev 10 (4): 447–460. DOI:10.1101/gad.10.4.447. PMID 8600028.
  26. (Dec 1998) «Transactivation-defective c-MycS retains the ability to regulate proliferation and apoptosis». Genes Dev 12 (24): 3803–3808. DOI:10.1101/gad.12.24.3803. PMID 9869633.
  27. (2007) «MyoD uses overlapping but distinct elements to bind E-box and tetraplex structures of regulatory sequences of muscle-specific genes». Nucleic Acids Res 35 (21): 7087–7095. DOI:10.1093/nar/gkm746. PMID 17942416.
  28. (2002) «Promoter-specific regulation of MyoD binding and signal transduction cooperate to pattern gene expression». Mol. Cell 9 (3): 587–600. DOI:10.1016/s1097-2765(02)00481-1. PMID 11931766.
  29. (2006) «Activity-dependent gene regulation in skeletal muscle is mediated by a histone deacetylase (HDAC)-Dach2-myogenin signal transduction cascade». Proc Natl Acad Sci USA 103 (45): 16977–16982. DOI:10.1073/pnas.0601565103. PMID 17075071. Bibcode2006PNAS..10316977T.
  30. (2009) «Decreased Jun-D and myogenin expression in muscle wasting of human cachexia». Am J Physiol Endocrinol Metab 297 (2): E392–401. DOI:10.1152/ajpendo.90529.2008. PMID 19470832.
  31. (2002) «Evidence that E-box promoter elements and MyoD transcription factors play a role in the induction of cathepsin B gene expression during human myoblast differentiation». Biol. Chem. 383 (12): 1833–1844. DOI:10.1515/BC.2002.207. PMID 12553720.
  32. Neufeld (2000). «Serine/Threonine Kinases 3pK and MAPK-activated Protein Kinase 2 Interact with the Basic Helix-Loop-Helix Transcription Factor E47 and Repress Its Transcriptional Activity». J. Biol. Chem. 275 (27): 20239–20242. DOI:10.1074/jbc.C901040199. PMID 10781029.
  33. Johnson (1996). «Casein kinase II increases the transcriptional activities of MRF4 and MyoD independently of their direct phosphorylation». Mol. Cell. Biol. 16 (4): 1604–1613. PMID 8657135.
  34. Sloan (1996). «Phosphorylation of E47 as a potential determinant of B-cell-specific activity». Mol. Cell. Biol. 16 (12): 6900–6908. PMID 8943345.
  35. Shen (1995). «B-cell-specific DNA binding by an E47 homodimer». Mol. Cell. Biol. 15 (8): 4518–4524. PMID 7623842.
  36. Bain (1994). «E2A proteins are required for proper B cell development and initiation of immunoglobulin gene rearrangements». Cell 79 (5): 885–892. DOI:10.1016/0092-8674(94)90077-9. PMID 8001125.
  37. Lassar (1991). «Functional activity of myogenic HLH proteins requires hetero-oligomerization with E12/E47-like proteins in vivo». Cell 66 (2): 305–315.. DOI:10.1016/0092-8674(91)90620-e. PMID 1649701.
  38. Murre (1989). «Interactions between heterologous helix-loop-helix proteins generate complexes that bind specifically to a common DNA sequence». Cell 58 (3): 537–544. DOI:10.1016/0092-8674(89)90434-0. PMID 2503252.
  39. (Sep 2002) «Circadian Transcription: THINKING OUTSIDE THE E-BOX». J Biol Chem 277 (39): 36009–36017. DOI:10.1074/jbc.m203909200. PMID 12130638.
  40. (Mar 2013) «Astakine 2—the Dark Knight Linking Melatonin to Circadian Regulation in Crustaceans». PLOS Genetics 3 (3). DOI:10.1371/journal.pgen.1003361.
  41. (2013) «Dual roles of FBXL3 in the mammalian circadian feedback loops are important for period determination and robustness of the clock». Proc Natl Acad Sci U S A. 110 (12): 4750–5. DOI:10.1073/pnas.1302560110. PMID 23471982. Bibcode2013PNAS..110.4750S.
  42. (Apr 2013) «Genomic Regions Flanking E-Box Binding Sites Influence DNA Binding Specificity of bHLH Transcription Factors through DNA Shape». Cell Rep 3 (4): 1093–104. DOI:10.1016/j.celrep.2013.03.014. PMID 23562153.