Potenciador (genética)

He visto aquí un diagrama de cuatro pasos que representa el uso de un potenciador. Dentro de esta secuencia de ADN, las proteínas conocidas como factor de transcripción se unen al potenciador y aumentan la actividad del promotor.

1. ADN
2. Enhancer
3. Promoter
4. Gene
5. Transcripción Activador Protein
6. Mediador Protein
7. RNA Polymerase

En genética, un potenciador es una región corta (50–1500 pb) de ADN que puede unirse a proteínas (activadores) para aumentar la probabilidad de que ocurra la transcripción de un gen en particular. Estas proteínas generalmente se denominan factores de transcripción. Los potenciadores son de acción cis. Se pueden ubicar hasta a 1 Mbp (1 000 000 bp) de distancia del gen, aguas arriba o aguas abajo del sitio de inicio. Hay cientos de miles de potenciadores en el genoma humano. Se encuentran tanto en procariotas como en eucariotas.

El primer descubrimiento de un potenciador eucariótico fue en el gen de la cadena pesada de inmunoglobulina en 1983. Este potenciador, ubicado en el intrón grande, brindó una explicación para la activación transcripcional de los promotores del gen Vh reordenados mientras que los promotores Vh no reordenados permanecieron inactivos.

Ubicaciones

En las células eucariotas, la estructura del complejo de cromatina del ADN se pliega de una manera que imita funcionalmente el estado superenrollado característico del ADN procariota, por lo que, aunque el ADN potenciador puede estar alejado del gen de forma lineal, está espacialmente cerca. al promotor y al gen. Esto le permite interactuar con los factores de transcripción generales y la ARN polimerasa II. El mismo mecanismo es válido para los silenciadores en el genoma eucariótico. Los silenciadores son antagonistas de los potenciadores que, cuando se unen a sus propios factores de transcripción llamados represores, reprimen la transcripción del gen. Los silenciadores y los potenciadores pueden estar muy cerca uno del otro o incluso pueden estar en la misma región solo diferenciados por el factor de transcripción al que se une la región.

Un potenciador puede ubicarse aguas arriba o aguas abajo del gen que regula. Además, no es necesario que un potenciador esté ubicado cerca del sitio de inicio de la transcripción para afectar la transcripción, ya que se han encontrado algunos ubicados varios cientos de miles de pares de bases aguas arriba o aguas abajo del sitio de inicio. Los potenciadores no actúan sobre la propia región promotora, sino que se unen a las proteínas activadoras. Estas proteínas activadoras interactúan con el complejo mediador, que recluta la polimerasa II y los factores de transcripción generales que luego comienzan a transcribir los genes. Los potenciadores también se pueden encontrar dentro de los intrones. La orientación de un potenciador puede incluso invertirse sin afectar su función; además, un potenciador puede extirparse e insertarse en otra parte del cromosoma y seguir afectando la transcripción génica. Esa es una de las razones por las que los polimorfismos de los intrones pueden tener efectos aunque no se traduzcan. Los potenciadores también se pueden encontrar en la región exónica de un gen no relacionado y pueden actuar sobre genes en otro cromosoma.

Los potenciadores están unidos por p300-CBP y ChIP-seq puede predecir su ubicación frente a esta familia de coactivadores.

Papel en la expresión génica

Reglamento de transcripción en mamíferos. Una región reguladora del ADN potenciador activo está habilitada para interactuar con la región del ADN promotor de su gen objetivo por la formación de un bucle cromosómico. Esto puede iniciar la síntesis de RNA mensajero (mRNA) por la polimerasa RNA II (RNAP II) vinculada al promotor en el sitio de inicio de la transcripción del gen. El bucle está estabilizado por una proteína arquitectónica anclada al potenciador y una anclada al promotor y estas proteínas se unen para formar un dimer (Zigzags rojos). Factores de transcripción regulatorio específicos se unen a motivos de secuencia de ADN en el potenciador. Los factores de transcripción general se unen al promotor. Cuando un factor de transcripción se activa por una señal (aquí se indica como fosforilación mostrada por una pequeña estrella roja en un factor de transcripción en el potenciador) el potenciador se activa y ahora puede activar su promotor objetivo. El potenciador activo se transcribe en cada cadena de ADN en direcciones opuestas por RNAP IIs ligados. Mediador (un complejo que consiste en cerca de 26 proteínas en una estructura de interacción) comunica señales regulatorias de los factores de transcripción de ADN mejoradores al promotor.

La expresión génica en los mamíferos está regulada por muchos elementos reguladores en cis, incluidos los promotores centrales y los elementos proximales a los promotores que se encuentran cerca de los sitios de inicio de la transcripción de los genes. Los promotores centrales son suficientes para dirigir la transcripción iniciación, pero generalmente tienen baja actividad basal. Otros módulos reguladores cis importantes se localizan en regiones de ADN que están distantes de los sitios de inicio de la transcripción. Estos incluyen potenciadores, silenciadores, aisladores y elementos de amarre. Entre esta constelación de elementos, los potenciadores y sus factores de transcripción asociados tienen un papel destacado en la regulación de la expresión génica. Un potenciador localizado en una región de ADN distante del promotor de un gen puede tener un efecto muy grande en la expresión génica, y algunos genes experimentan un aumento de expresión de hasta 100 veces debido a un potenciador activado.

Los potenciadores son regiones del genoma que son los principales elementos reguladores de genes. Los potenciadores controlan los programas de expresión génica específicos del tipo de célula, la mayoría de las veces recorriendo largas distancias para acercarse físicamente a los promotores de sus genes objetivo. Si bien hay cientos de miles de regiones de ADN potenciadoras, para un tipo particular de tejido solo los potenciadores específicos se acercan a los promotores que regulan. En un estudio de neuronas corticales cerebrales, se encontraron 24 937 bucles, lo que llevó potenciadores a sus promotores objetivo. Múltiples potenciadores, cada uno a menudo a decenas o cientos de miles de nucleótidos de distancia de sus genes objetivo, enlazan con sus promotores de genes objetivo y pueden coordinarse entre sí para controlar la expresión de su gen objetivo común.

La ilustración esquemática de esta sección muestra un potenciador dando vueltas para acercarse físicamente al promotor de un gen objetivo. El bucle está estabilizado por un dímero de una proteína conectora (p. ej., dímero de CTCF o YY1), con un miembro del dímero anclado a su motivo de unión en el potenciador y el otro miembro anclado a su motivo de unión en el promotor (representado por el zigzags rojos en la ilustración). Varios factores de transcripción específicos de la función celular (hay alrededor de 1600 factores de transcripción en una célula humana) generalmente se unen a motivos específicos en un potenciador y una pequeña combinación de estos factores de transcripción unidos al potenciador, cuando se acercan a un promotor por un bucle de ADN, gobiernan nivel de transcripción del gen diana. El mediador (un complejo que generalmente consta de unas 26 proteínas en una estructura que interactúa) comunica las señales reguladoras de los factores de transcripción unidos al ADN potenciadores directamente a la enzima ARN polimerasa II (pol II) unida al promotor.

Los potenciadores, cuando están activos, generalmente se transcriben a partir de ambas cadenas de ADN con ARN polimerasas que actúan en dos direcciones diferentes, produciendo dos ARN potenciadores (ARNe), como se ilustra en la figura. Al igual que los ARNm, estos ARNe suelen estar protegidos por su capuchón 5′. Un potenciador inactivo puede unirse a un factor de transcripción inactivo. La fosforilación del factor de transcripción puede activarlo y ese factor de transcripción activado puede entonces activar el potenciador al que está unido (ver la pequeña estrella roja que representa la fosforilación del factor de transcripción unido al potenciador en la ilustración). Un potenciador activado comienza la transcripción de su ARN antes de activar la transcripción del ARN mensajero de su gen objetivo.

Teorías

A partir de 2005, existen dos teorías diferentes sobre el procesamiento de la información que se produce en los potenciadores:

• Los enhanceosomas – confían en acciones altamente cooperativas y coordinadas y pueden desactivarse por mutaciones puntuales que mueven o eliminan los sitios de unión de las proteínas individuales.
• Billboards flexibles – menos integradores, múltiples proteínas regulan independientemente la expresión génica y su suma es leída por la maquinaria transcripcional basal.

Ejemplos en el genoma humano

HACNS1

HACNS1 (también conocido como CENTG2 y ubicado en la Región Humana Acelerada 2) es un potenciador de genes "que puede haber contribuido a la evolución del pulgar humano únicamente oponible, y posiblemente también a modificaciones en el tobillo o el pie que permitir que los humanos caminen sobre dos piernas". La evidencia hasta la fecha muestra que de las 110.000 secuencias potenciadoras de genes identificadas en el genoma humano, HACNS1 ha sufrido la mayor cantidad de cambios durante la evolución de los humanos luego de la separación con los ancestros de los chimpancés.

GADD45G

Se ha descrito un potenciador cercano al gen GADD45g que puede regular el crecimiento cerebral en chimpancés y otros mamíferos, pero no en humanos. El regulador GADD45G en ratones y chimpancés está activo en regiones del cerebro donde se encuentran las células que forman la corteza, el prosencéfalo ventral y el tálamo y puede suprimir más neurogénesis. La pérdida del potenciador GADD45G en humanos puede contribuir a un aumento de ciertas poblaciones neuronales ya la expansión del prosencéfalo en humanos.

En biología del desarrollo

El desarrollo, la diferenciación y el crecimiento de células y tejidos requieren patrones de expresión génica regulados con precisión. Los potenciadores funcionan como elementos reguladores en cis para mediar en el control espacial y temporal del desarrollo activando la transcripción en células específicas y/o reprimiéndola en otras células. Por lo tanto, la combinación particular de factores de transcripción y otras proteínas de unión al ADN en un tejido en desarrollo controla qué genes se expresarán en ese tejido. Los potenciadores permiten utilizar un mismo gen en diversos procesos en el espacio y el tiempo.

Identificación y caracterización

Tradicionalmente, los potenciadores se identificaban mediante técnicas de trampa de potenciadores utilizando un gen informador o mediante análisis comparativo de secuencias y genómica computacional. En modelos manejables genéticamente, como la mosca de la fruta Drosophila melanogaster, por ejemplo, una construcción indicadora como el gen lacZ puede integrarse aleatoriamente en el genoma utilizando un transposón de elemento P. Si el gen informador se integra cerca de un potenciador, su expresión reflejará el patrón de expresión impulsado por ese potenciador. Por lo tanto, teñir las moscas para la expresión o actividad de LacZ y clonar la secuencia que rodea el sitio de integración permite la identificación de la secuencia potenciadora.

Sin embargo, el desarrollo de tecnologías genómicas y epigenómicas ha cambiado drásticamente la perspectiva para el descubrimiento de módulos reguladores cis (CRM). Los métodos de secuenciación de próxima generación (NGS) ahora permiten ensayos de descubrimiento de CRM funcional de alto rendimiento y las cantidades cada vez mayores de datos disponibles, incluidas bibliotecas a gran escala de motivos del sitio de unión del factor de transcripción (TFBS), colecciones de CRM validados y anotados, y extensos datos epigenéticos a través de muchos tipos de células, están haciendo que el descubrimiento de CRM computacional preciso sea un objetivo alcanzable. Un ejemplo de enfoque basado en NGS llamado DNase-seq ha permitido la identificación de regiones de cromatina abierta o sin nucleosomas, que pueden contener CRM. Más recientemente se han desarrollado técnicas como ATAC-seq que requieren menos material de partida. Las regiones empobrecidas en nucleosomas se pueden identificar in vivo a través de la expresión de Dam metilasa, lo que permite un mayor control de la identificación de potenciadores específicos del tipo de célula. Los métodos computacionales incluyen genómica comparativa, agrupación de sitios de unión a TF conocidos o previstos y enfoques de aprendizaje automático supervisados entrenados en CRM conocidos. Todos estos métodos han demostrado ser efectivos para el descubrimiento de CRM, pero cada uno tiene sus propias consideraciones y limitaciones, y cada uno está sujeto a una mayor o menor cantidad de identificaciones de falsos positivos. En el enfoque de genómica comparativa, la conservación de secuencias de regiones no codificantes puede ser indicativa de potenciadores. Las secuencias de múltiples especies se alinean y las regiones conservadas se identifican computacionalmente. A continuación, las secuencias identificadas se pueden unir a un gen informador, como la proteína fluorescente verde o lacZ, para determinar el patrón in vivo de expresión génica producido por el potenciador cuando se inyecta en un embrión. La expresión de ARNm del reportero se puede visualizar mediante hibridación in situ, que proporciona una medida más directa de la actividad potenciadora, ya que no está sujeta a las complejidades de la traducción y el plegamiento de proteínas. Aunque mucha evidencia ha apuntado a la conservación de la secuencia para los potenciadores críticos del desarrollo, otro trabajo ha demostrado que la función de los potenciadores se puede conservar con poca o ninguna conservación de la secuencia primaria. Por ejemplo, los potenciadores de RET en humanos tienen muy poca conservación de secuencia en comparación con los del pez cebra, pero ambas especies' Las secuencias producen patrones casi idénticos de expresión del gen informador en el pez cebra. De manera similar, en insectos muy divergentes (separados por alrededor de 350 millones de años), se encontró que patrones de expresión génica similares de varios genes clave estaban regulados a través de MRC constituidos de manera similar, aunque estos MRC no muestran ninguna conservación de secuencia apreciable detectable por métodos estándar de alineación de secuencias como EXPLOSIÓN.

En segmentación de insectos

Los potenciadores que determinan la segmentación temprana en embriones de Drosophila melanogaster se encuentran entre los potenciadores del desarrollo mejor caracterizados. En el embrión de mosca temprano, los factores de transcripción del gen gap son responsables de activar y reprimir una serie de genes de segmentación, como los genes de la regla de pares. Los genes gap se expresan en bloques a lo largo del eje anterior-posterior de la mosca junto con otros factores de transcripción de efecto materno, creando así zonas dentro de las cuales se expresan diferentes combinaciones de factores de transcripción. Los genes de regla de pares están separados entre sí por células que no expresan. Además, las franjas de expresión de diferentes genes de regla de pares están compensadas por unos pocos diámetros de celda entre sí. Por lo tanto, las combinaciones únicas de la expresión génica de la regla de pares crean dominios espaciales a lo largo del eje anterior-posterior para configurar cada uno de los 14 segmentos individuales. El potenciador de 480 pb responsable de impulsar la raya afilada dos del gen de la regla de pares par-omitido (eve) ha sido bien caracterizado. El potenciador contiene 12 sitios de unión diferentes para factores de transcripción de genes gap y maternos. Los sitios de activación y represión se superponen en secuencia. Eve solo se expresa en una franja estrecha de células que contienen altas concentraciones de activadores y bajas concentraciones de represores para esta secuencia potenciadora. Otras regiones potenciadoras impulsan la expresión de eve en otras 6 franjas en el embrión.

En patrones de vertebrados

Establecer ejes corporales es un paso crítico en el desarrollo animal. Durante el desarrollo embrionario del ratón, Nodal, un ligando de la superfamilia beta del factor de crecimiento transformante, es un gen clave involucrado en el patrón tanto del eje anterior-posterior como del eje izquierdo-derecho del embrión temprano. El gen Nodal contiene dos potenciadores: el potenciador del epiblasto proximal (PEE) y el potenciador asimétrico (ASE). El PEE está aguas arriba del gen Nodal e impulsa la expresión Nodal en la porción de la línea primitiva que se diferenciará en el nodo (también conocido como nodo primitivo). El PEE activa la expresión Nodal en respuesta a una combinación de señalización Wnt más una segunda señal desconocida; por lo tanto, es probable que un miembro de la familia de factores de transcripción LEF/TCF se una a un sitio de unión de TCF en las células del nódulo. La difusión de Nodal lejos del nodo forma un gradiente que luego modela el eje anteroposterior que se extiende del embrión. El ASE es un potenciador intrónico unido por el factor de transcripción Fox1 del dominio de cabeza de horquilla. Al principio del desarrollo, la expresión nodal impulsada por Fox1 establece el endodermo visceral. Más adelante en el desarrollo, la unión de Fox1 al ASE impulsa la expresión Nodal en el lado izquierdo del mesodermo de la placa lateral, estableciendo así la asimetría izquierda-derecha necesaria para el desarrollo asimétrico de órganos en el mesodermo.

El establecimiento de tres capas germinales durante la gastrulación es otro paso crítico en el desarrollo animal. Cada una de las tres capas germinales tiene patrones únicos de expresión génica que promueven su diferenciación y desarrollo. El endodermo se especifica temprano en el desarrollo mediante la expresión de Gata4, y Gata4 pasa a dirigir la morfogénesis intestinal más adelante. La expresión de Gata4 está controlada en el embrión temprano por un potenciador intrónico que se une a otro factor de transcripción del dominio forkhead, FoxA2. Inicialmente, el potenciador impulsa una amplia expresión génica en todo el embrión, pero la expresión rápidamente se restringe al endodermo, lo que sugiere que otros represores pueden estar involucrados en su restricción. Al final del desarrollo, el mismo potenciador restringe la expresión a los tejidos que se convertirán en el estómago y el páncreas. Un potenciador adicional es responsable de mantener la expresión de Gata4 en el endodermo durante las etapas intermedias del desarrollo intestinal.

Múltiples potenciadores promueven la solidez del desarrollo

Algunos genes involucrados en procesos críticos de desarrollo contienen múltiples potenciadores de funciones superpuestas. Los potenciadores secundarios, o "potenciadores de sombra", se pueden encontrar a muchas kilobases de distancia del potenciador primario ('primario' generalmente se refiere al primer potenciador descubierto, que a menudo está más cerca del gen que regula). Por sí solo, cada potenciador impulsa patrones casi idénticos de expresión génica. ¿Son los dos potenciadores realmente redundantes? Trabajos recientes han demostrado que múltiples potenciadores permiten que las moscas de la fruta sobrevivan a las perturbaciones ambientales, como un aumento de la temperatura. Cuando se eleva a una temperatura elevada, un solo potenciador a veces falla en impulsar el patrón completo de expresión, mientras que la presencia de ambos potenciadores permite la expresión génica normal.

Evolución de los mecanismos de desarrollo

Un tema de investigación en biología del desarrollo evolutivo ("evo-devo") es investigar el papel de los potenciadores y otros elementos reguladores cis en la producción de cambios morfológicos a través de diferencias de desarrollo entre especies.

Espinoso Pitx1

Un trabajo reciente ha investigado el papel de los potenciadores en los cambios morfológicos en el pez espinoso de tres espinas. Los espinosos existen tanto en ambientes marinos como de agua dulce, pero los espinosos en muchas poblaciones de agua dulce han perdido por completo sus aletas pélvicas (apéndices homólogos a la extremidad posterior de los tetrápodos).
Pitx1 es un gen homeobox involucrado en Desarrollo de las extremidades posteriores en vertebrados. Los análisis genéticos preliminares indicaron que los cambios en la expresión de este gen eran los responsables de la reducción pélvica de los espinosos. Los peces que expresan solo el alelo de agua dulce de Pitx1 no tienen espinas pélvicas, mientras que los peces que expresan un alelo marino conservan espinas pélvicas. Una caracterización más completa mostró que una secuencia potenciadora de 500 pares de bases es responsable de activar la expresión de Pitx1 en la yema de la aleta posterior. Este potenciador está ubicado cerca de un sitio cromosómico frágil, una secuencia de ADN que probablemente se rompa y, por lo tanto, es más probable que mute como resultado de una reparación imprecisa del ADN. Este sitio frágil ha causado pérdidas repetidas e independientes del potenciador responsable de impulsar la expresión de Pitx1 en las espinas pélvicas en poblaciones aisladas de agua dulce, y sin este potenciador, los peces de agua dulce no desarrollan espinas pélvicas.

En la evolución del patrón de alas de Drosophila

Los patrones de pigmentación proporcionan una de las diferencias más llamativas y fáciles de calificar entre diferentes especies de animales. La pigmentación del ala de Drosophila ha demostrado ser un sistema especialmente adecuado para estudiar el desarrollo de fenotipos de pigmentación complejos. El ala de Drosophila guttifera tiene 12 manchas oscuras de pigmentación y 4 parches intermedios grises más claros. Las manchas de pigmento surgen de la expresión del gen amarillo, cuyo producto produce melanina negra. Un trabajo reciente ha demostrado que dos potenciadores en el gen amarillo producen la expresión génica precisamente en este patrón: el potenciador de la mancha de la vena impulsa la expresión del gen reportero en los 12 puntos, y el potenciador del tono intervein impulsa la expresión del reportero en los 4 puntos. parches distintos. Estos dos potenciadores responden a la vía de señalización Wnt, que se activa mediante la expresión wingless en todas las ubicaciones pigmentadas. Por lo tanto, en la evolución del fenotipo de pigmentación compleja, el gen del pigmento amarillo evolucionó potenciadores que responden a la señal sin alas y la expresión sin alas evolucionó en nuevas ubicaciones para producir nuevos patrones de alas.

En inflamación y cáncer

Cada célula normalmente contiene varios cientos de una clase especial de potenciadores que se extienden sobre secuencias de ADN de muchas kilobases de longitud, llamados "superpotenciadores". Estos potenciadores contienen una gran cantidad de sitios de unión para factores de transcripción inducibles específicos de secuencia y regulan la expresión de genes implicados en la diferenciación celular. Durante la inflamación, el factor de transcripción NF-κB facilita la remodelación de la cromatina de una manera que redistribuye selectivamente los cofactores de los potenciadores de alta ocupación, reprimiendo así los genes involucrados en el mantenimiento de la identificación celular cuya expresión mejoran; al mismo tiempo, esta remodelación y redistribución impulsada por F-κB activa otros potenciadores que guían los cambios en la función celular a través de la inflamación. Como resultado, la inflamación reprograma las células, alterando sus interacciones con el resto del tejido y con el sistema inmunitario. En el cáncer, las proteínas que controlan la actividad de NF-κB están desreguladas, lo que permite que las células malignas disminuyan su dependencia de las interacciones con el tejido local y dificulta su vigilancia por parte del sistema inmunitario.