Транскрипция,
ее регуляция,
и как ее изучают
(с помощью секвенирования и биоинформатики)

Ваня Кулаковский, Пущино-Москва

Часть 1: транскрипция у высших эукариот глазами биоинформатика

Что в этом такого и почему это интересно

Assume infinite intelligence and zero prior knowledge.

Attributed to Leo Szilard

...assume that the listener has zero knowledge and infinite intelligence.

Attributed to Max Delbruck

… связь между геном и внешним признаком заключается не в отдельных независимых цепях реакций, которые ведут от определенного гена к определенному признаку, но значительно сложнее.

… в осуществлении определенного наследственного признака совместно участвуют очень многие, доступные экспериментальному учету отдельные модифицирующие факторы. У нас нет основания и возможности предполагать, что при влиянии на проявление каждого отдельного признака речь идет о специфических, касающихся только данного признака «специальных генах-модификаторах», ибо мы пришли бы к бессмысленному огромному общему числу генов. Таким образом, нужно предположить, что каждый ген в разной степени должен принимать участие в целом ряде процессов развития.

Н.В. Тимофеев-Ресовский

According to the media sympathetic to science and enthusiastic about sensational discoveries, the “Second Genetic Code” as it was called by New York Times was discovered by Y a-Ming Hou and Paul Schimmel and published in Nature in 1988. It was about recognition of tRNAs by respective aminoacyl-tRNA synthetases. Thirteen years later New Scientist announced the second Second Genetic Code, discovered by Jenuwein and Allis and published in Science. This time it was about histone modifications. Five years later, New York Times, again, reported about “a second code in DNA in addition to the genetic code”. This was already the third Second Genetic Code, discovered by Segal et al., suggesting now nucleosome positioning rules. One, surely, would raise eyebrows having learned that there is also the fourth Second Genetic Code — on interaction specificities between proteins and DNA, and the fifth Second Genetic Code, the name given by Nature magazine to the set of rules governing gene splicing.

Bewildered reader, naturally, would say “I’m done with seconds, can I have a third?”

E.N. Trifonov

Thirty Years of Multiple Sequence Codes, Genomics Proteomics Bioinformatics, 2011

Regulated transcription controls the diversity, developmental pathways, and spatial organisation of the hundreds of cell types that make up a mammal.

Проект FANTOM5, посвященный масштабному изучению инициации транскрипции различных типах клеток эукариот

Петлевая модель регуляции

Transcriptional regulation in eukaryotes is
complex.

"Goldberg-Hogness box"

Инициация транскрипции у эукариот

Медиатор и запетливание

Типы промоторов

Типы энхансеров

Энхансер это тоже промотор

Зачем транскрибировать энхансер?

Транскрипционные фабрики

Нобелевская премия по физиологии и медицине 2012
за получение индуцированных плюрипотентных стволовых клеток.

Как устроен фактор транскрипции?

Сколько факторов транскрипции кодируется в геноме человека?

Что такое фактор транскрипции?

dbTF: DNA-binding transcription factor that regulate transcription through the recognition of the genomic address of its target genes.

Результат работы консорциума: курировано 1457 фактора транскрипции (состояние на ноябрь 2020),
из которых 1439 аннотированы в UniProt и HGNC:
http://ebi.ac.uk/QuickGO/targetset/dbTF

ДНК-связывающий домен определяет специфичность

TFClass: наиболее подробная классификация факторов транскрипции человека и других млекопитающих по структурам ДНК-связывающих доменов

Энхансеосома энхансера интерферона-бета

Комбинаторная регуляция транскрипции и петлевая модель

Почему цис-регуляторные регионы (районы),
элементы и модули?

Цис-транс-тест (тест на комплементацию)

Трансвекция у плодовых мушек

Проект FANTOM5

Кэп-анализ экспрессии генов - версия HeliScopeCAGE

Кэп-анализ экспрессии генов

Helicos - высокопроизводительное секвенирование без ПЦР

Анализ промотерома человека и мыши

Дифференциальная активность промотеров

Достоверная идентификация ткань-специфичных промотеров и промотеров домашнего хозяйства

Упрощенная схема коэкспрессии промотеров

Трансдифференцировка

Перепрограммирование клеток с помощью факторов транскрипции и эпифакторов

Mogrify: direct cellular reprogramming

Почему еще интересно изучать уровень транскрипции?

Геномные варианты в регуляторных последовательностях и их связь с фенотипами

Пост-транскрипционная регуляция экспрессии

Transcription therefore is not only a catalyst of mRNA synthesis but also provides a platform that enables imprinting, which coordinates between transcription and mRNA decay.
Haimovich et al., Biochim Biophys Acta, 2013

Promoter sequences direct cytoplasmic localization and translation of mRNAs during starvation in yeast.
Zid and O'Shea, Nature, 2014

Ко-транскрипционное связывание РНК-связывающих белков

Ко-транскрипционная модификация РНК - "эпитранскриптомика"

Супермутанты среди нас

Супермутанты среди нас

Найдено 13 больных-но-здоровых человек, носителей мутаций, но не соответствующих им моногенных заболеваний: Муковисцидоз, Синдром Смита-Лемли-Опица, Семейная дизавтономия, Простой буллезный эпидермолиз, Синдром Пфайффера, Аутоиммунный полиэндокринный синдром 1 типа, Акампомелическая кампомелическая дисплазия, Ателостеогенез