การคัดกรองยีน
การควบคุมยีน (Gene gating)เป็นปรากฏการณ์ที่ยีน ที่ทำงานด้านการถอดรหัส จะถูกนำมาอยู่ใกล้กับคอมเพล็กซ์รูพรุนนิวเคลียร์ (NPCs) เพื่อให้ทรานสคริปต์ที่เกิดขึ้นใหม่สามารถสร้าง mRNA ที่สมบูรณ์ซึ่งเชื่อมโยงกับปัจจัยการส่งออกได้อย่างรวดเร็ว[ 1 ] [ 2 ]การควบคุมยีนได้รับการตั้งสมมติฐานครั้งแรกโดยGünter Blobelในปี 1985 [ 3 ]ได้มีการแสดงให้เห็นว่าเกิดขึ้นในSaccharomyces cerevisiae , Caenorhabditis elegans , Drosophila melanogasterรวมถึงระบบแบบจำลองของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม[ 1 ]
โปรตีนที่ประกอบเป็น NPC ซึ่งรู้จักกันในชื่อนิวคลีโอพอรินได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีบทบาทในการจับกับ DNA และการขนส่ง mRNA ทำให้การควบคุมยีนเป็นไปได้ นอกจากนี้ การควบคุมยีนยังถูกควบคุมโดยโปรตีนคอมเพล็กซ์ 2 ชนิด ได้แก่ Spt-Ada-Gcn5-acetyltransferase (SAGA) และคอมเพล็กซ์การถอดรหัสและการส่งออก 2 (คอมเพล็กซ์ TREX-2) SAGA เป็น คอมเพล็กซ์ การปรับโครงสร้างโครมาตินที่รับผิดชอบในการกระตุ้นการถอดรหัสของยีนที่เหนี่ยวนำได้บางชนิด คอมเพล็กซ์ SAGA จับกับโปรโมเตอร์ของยีนและยังโต้ตอบกับคอมเพล็กซ์ TREX-2 ด้วย[ 4 ]ในทางกลับกัน คอมเพล็กซ์ TREX-2 โต้ตอบกับ NPC จึงส่งเสริมการย้ายตำแหน่งของยีนที่ถูกถอดรหัสอย่างแข็งขันไปยังบริเวณรอบนอกของนิวเคลียสของเซลล์[ 2 ] [ 5 ] ในทางตรงกันข้าม ส่วนที่เหลือของบริเวณรอบนอก กล่าวคือส่วนที่ไม่เกี่ยวข้องกับ NPC จะเป็นเฮเทอโรโครมาตินที่ ไม่มีการถอดรหัส
กลไก
นิวคลีโอพอรินและลำดับการรับสมัครยีน
นิวคลีโอพอริน (Nups) เป็นโปรตีนองค์ประกอบหลักของ NPC และได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีบทบาทหลายอย่างในการเป็นตัวกลางในกระบวนการต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับการควบคุมยีน[ 1 ]แม้ว่าจะทราบกันดีอยู่แล้วว่าบริเวณรอบนอกของนิวเคลียสทำหน้าที่เป็นตำแหน่งหลักสำหรับเฮเทอโรโครมาติน เทโลเมียร์และ ดีเอ็นเอเซนโทร โซมส่วน ใหญ่ แต่การศึกษาในยีสต์Saccharomyces cerevisiaeแสดงให้เห็นว่า NPC ที่มี Nup2p และ Prp20p สร้างขอบเขตของการแสดงออกของยีนที่ใช้งานอยู่ใกล้กับเยื่อหุ้มนิวเคลียสและป้องกันการแพร่กระจายของเฮเทอโรโครมาตินที่บริเวณรอบนอกของนิวเคลียส โปรตีน Nup2p และ Prp20p เหล่านี้ยังเป็นตำแหน่งสำหรับการจับของโครมาตินอีก ด้วย [ 6 ]
ยีนที่ถูกเหนี่ยวนำบางส่วนในยีสต์ได้รับการแสดงให้เห็นว่าย้ายตำแหน่งไปยังบริเวณรอบนอกของนิวเคลียสโดยการจับกับ NPC ที่ประกอบด้วย Nups เฉพาะ[ 1 ]ยีนที่ถูกเหนี่ยวนำเหล่านี้หลายตัว รวมถึง GAL1, INO1, TSA2 และ HSP104 มีลำดับการรับสมัครยีน (GRS) ที่พบในโปรโมเตอร์ ซึ่งจำเป็นสำหรับการยึดติดของยีนกับ NPC โดยผ่านการจับ DNA กับ Nups เฉพาะ[ 7 ]การย้ายตำแหน่งเริ่มต้นของยีนที่มี GRS นี้ต้องอาศัยการทำงานของ Snf1-p dependent Spt-Ada-Gcn5 acetyltransferase (SAGA) ซึ่งเป็นคอมเพล็กซ์การปรับโครงสร้างโครมาติน รวมถึงโปรตีนส่งออก mRNA หลายตัว เพื่อการกระตุ้นการถอดรหัสที่บริเวณรอบนอกของนิวเคลียส[ 4 ]
ในแมลงวันผลไม้Drosophila melanogasterโครมาตินส่วนใหญ่จะจับกับ Nups Nup153 และ Megator [ 8 ] บริเวณจีโนมเหล่านี้มักพบในโครโมโซม X ของเพศผู้ ซึ่งแสดงกิจกรรมการถอดรหัสในระดับสูงเนื่องจากการชดเชยปริมาณบริเวณโครมาตินเหล่านี้เรียกว่าบริเวณที่เกี่ยวข้องกับ Nup (NARs) การลดลงของ Nup153 ทำให้การแสดงออกของยีนที่เกี่ยวข้องกับ NARs ลดลงอย่างมาก และลดความสัมพันธ์ของลำดับยีนเหล่านี้กับบริเวณรอบนอกของนิวเคลียส Nups อื่นๆ เช่น Nup50, Nup60 และ Nup98 เกี่ยวข้องกับยีนที่เกี่ยวข้องกับการพัฒนาและวงจรเซลล์[ 9 ]
ในระบบแบบจำลองของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ยีนที่ถูกกระตุ้นให้ถอดรหัสจะถูกส่งผ่านในลักษณะที่ขึ้นอยู่กับ Nup แม้ว่าการทดลองบางอย่างในสายเซลล์ ของมนุษย์ จะแสดงให้เห็นการเคลื่อนที่ย้อนกลับจากบริเวณรอบนอกของนิวเคลียสไปยังศูนย์กลางของนิวเคลียส[ 1 ] mRNP ( messenger ribonucleoprotein ) ที่ออกจากตำแหน่งการถอดรหัสในศูนย์กลางของนิวเคลียสจะเคลื่อนที่ไปตามเส้นทางเดียวกันผ่านนิวเคลียสไปยัง NPC ซึ่งแสดงให้เห็นว่าสารประกอบ mRNA/โปรตีนสามารถเคลื่อนที่ผ่านนิวเคลียสได้ด้วยวิธีการที่กำหนดทิศทางผ่านช่องทางระหว่างโครมาติน[ 10 ]ในหนูและสายเซลล์ของมนุษย์ Nup ที่เป็นทรานส์ เมมเบรน Nup210ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีความจำเป็นสำหรับการถอดรหัสที่เหมาะสมของยีนหลายตัวที่เกี่ยวข้องกับการสร้างเซลล์ประสาทและการสร้างกล้ามเนื้อการน็อคดาวน์ Nup210 ด้วย RNAi ป้องกันการสร้างกล้ามเนื้อในเซลล์ต้นกำเนิดของหนู แต่ไม่มีผลต่อการขนส่งนิวเคลียส แม้ว่าจะมีการคาดการณ์ว่า Nup210 หรือปัจจัยอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับ NPC อาจมีอิทธิพลต่อโครงสร้างโครมาตินเพื่อเป็นตัวกลางในการกำหนดเส้นทางสำหรับ mRNP/mRNA ไปยังเยื่อหุ้มนิวเคลียส[ 11 ]การเคลื่อนที่ของยีนที่ทำงานด้านการถอดรหัสจากบริเวณรอบนอกของนิวเคลียสไปยังบริเวณนิวคลีโอพลาสมิกก็ได้รับการสังเกตในเซลล์ของมนุษย์เช่นกัน ยีนMash1 , GAFB และβ-globin ของมนุษย์ ทั้งหมดได้รับการสังเกตว่าเคลื่อนที่ออกจากบริเวณรอบนอกของนิวเคลียสเมื่อมีการถอดรหัส ซึ่งดูเหมือนจะขัดแย้งกับสมมติฐานการควบคุมยีน แต่กระบวนการนี้อาจยังคงถูกควบคุมโดยNup98ซึ่งเป็นโปรตีน Nup ที่ละลายน้ำได้ซึ่งเคลื่อนที่ไปมาระหว่างนิวคลีโอพลาสมิกและ NPC ที่เยื่อหุ้มนิวเคลียส Nup98 ดูเหมือนจะมีหน้าที่รับผิดชอบในการขนส่ง RNA จำนวนมากจากใจกลางของนิวเคลียสไปยังนิวเคลียร์ลามินาแอนติบอดี Nup98 ที่นำเข้าไปในนิวเคลียสจะปิดกั้นการส่งออก RNA จำนวนมาก[ 12 ] [ 13 ]มีข้อมูลจำนวนมากที่สนับสนุนบทบาทของนิวคลีโอพอริน ทั้งที่ยึดติดกับ NPC และที่ละลายได้ ในการเป็นตัวกลางในการขนส่ง mRNA และสำหรับการถอดรหัสยีนที่ทำงานอย่างถูกต้อง แม้ว่าจะมีปัจจัยโปรตีนอื่นๆ อีกมากมายที่ส่งผลต่อกระบวนการที่ซับซ้อนเหล่านี้
คอมเพล็กซ์ SAGA และ TREX-2
Spt-Ada-Gcn5 acetyltransferase (SAGA) เป็นตัวกระตุ้นการถอดรหัสร่วมที่ปรับเปลี่ยนฮิสโตน ซึ่งประกอบด้วยโปรตีน 21 ชนิด และแสดง กิจกรรม ฮิสโตนอะเซทิลทรานสเฟอ เรส (HAT) และ กิจกรรม ดีอุบิควิทิเนตติง (DUB) ในยีสต์ คอมเพล็กซ์ SAGA ทำหน้าที่กระตุ้นการถอดรหัสของจีโนมประมาณ 10% และคอมเพล็กซ์ยีน/SAGA ที่ทำงานอยู่นี้จะสามารถโต้ตอบกับคอมเพล็กซ์ TREX-2 ซึ่งเป็นคอมเพล็กซ์ส่งออก mRNA ที่เกี่ยวข้องกับ NPC โปรตีนจำนวนมากที่เกี่ยวข้องกับการสร้าง mRNA โต้ตอบกับ NPC โดยปฏิสัมพันธ์ระหว่างโปรตีน ส่วนใหญ่ เกิดขึ้นระหว่างคอมเพล็กซ์ SAGA และคอมเพล็กซ์ TREX-2 ที่ NPC [ 4 ]การถอดรหัสที่ถูกต้องและการส่งออก mRNA ในภายหลังขึ้นอยู่กับปฏิสัมพันธ์นี้เป็นอย่างมาก Sus1 ซึ่งเป็นซับยูนิตโปรตีนทั่วไปของทั้งคอมเพล็กซ์ SAGA และ TREX-2 จะจับกับลำดับการกระตุ้นต้นน้ำผ่าน SAGA ซึ่งทำหน้าที่เป็นจุดยึดกับคอมเพล็กซ์ TREX-2 พื้นผิวที่โต้ตอบกันระหว่าง Sus1 และคอมเพล็กซ์ TREX-2 ได้รับการอำนวยความสะดวกโดยซับยูนิตโปรตีน Mex67 และ Yra1 ของคอมเพล็กซ์ TREX-2 ดังที่เห็นได้จากการทดลอง co-immunoprecipitation [ 4 ]คอมเพล็กซ์ TREX-2 จับกับคอมเพล็กซ์ NPC โดยนิวคลีโอพอริน Nup1 ซับยูนิต TREX-2 ทั้งหมดมีความจำเป็นสำหรับการสร้างและการส่งออกทรานสคริปต์ mRNA ที่เยื่อหุ้มนิวเคลียสสำหรับยีนที่ถูกกระตุ้นโดยคอมเพล็กซ์ SAGA อย่างประสบความสำเร็จ และข้อมูลชี้ให้เห็นว่า SAGA และ TREX-2 ทำงานร่วมกันเพื่อดึงดูด Sus1 ไปยังยีนที่จะถูกถอดรหัส การตรวจสอบอื่นๆ แสดงให้เห็นว่าซับยูนิต SAGA หลายตัวโต้ตอบกับโปรตีน NPC Mlp1 ซึ่งเป็นการเชื่อมโยงอีกอย่างหนึ่งระหว่าง NPC และคอมเพล็กซ์ SAGA/ยีนที่ทำงานอยู่[ 4 ]