Los elementos reguladores cis ( CRE ) o módulos reguladores cis ( CRM ) son regiones de ADN no codificante que regulan la transcripción de genes vecinos. Las CRE son componentes vitales de las redes reguladoras genéticas , que a su vez controlan la morfogénesis , el desarrollo de la anatomía y otros aspectos del desarrollo embrionario , estudiados en la biología del desarrollo evolutivo .
Las CRE se encuentran cerca de los genes que regulan. Las CRE normalmente regulan la transcripción genética uniéndose a factores de transcripción . Un único factor de transcripción puede unirse a muchas CRE y, por tanto, controlar la expresión de muchos genes ( pleiotropía ). El prefijo latino cis significa "de este lado", es decir, en la misma molécula de ADN que el gen o genes que se van a transcribir.
Los CRM son tramos de ADN , generalmente de 100 a 1000 pares de bases de ADN de longitud, [1] donde varios factores de transcripción pueden unirse y regular la expresión de genes cercanos y regular sus tasas de transcripción. Se denominan cis porque normalmente están ubicados en la misma cadena de ADN que los genes que controlan, a diferencia de trans , lo que se refiere a efectos sobre genes que no están ubicados en la misma cadena o más lejos, como los factores de transcripción. [1] Un elemento regulador cis puede regular varios genes, [2] y, a la inversa, un gen puede tener varios módulos reguladores cis . [3] Los módulos reguladores cis llevan a cabo su función integrando los factores de transcripción activos y los cofactores asociados en un momento y lugar específicos de la célula donde se lee esta información y se genera una salida. [4]
Las CRE se encuentran a menudo, pero no siempre, aguas arriba del sitio de transcripción. Las CRE contrastan con los elementos transreguladores (TRE) . Código TRE para factores de transcripción. [ cita necesaria ]
El genoma de un organismo contiene desde unos pocos cientos hasta miles de genes diferentes, todos los cuales codifican un producto singular o más. Por numerosas razones, incluido el mantenimiento organizacional, la conservación de energía y la generación de variación fenotípica , es importante que los genes solo se expresen cuando sean necesarios. La forma más eficaz para que un organismo regule la expresión genética es a nivel transcripcional. Las CRE funcionan para controlar la transcripción actuando cerca o dentro de un gen. Los tipos de CRE mejor caracterizados son los potenciadores y promotores . Ambos elementos de secuencia son regiones estructurales del ADN que sirven como reguladores transcripcionales . [ cita necesaria ]
Los módulos reguladores cis son uno de varios tipos de elementos reguladores funcionales . Los elementos reguladores son sitios de unión de factores de transcripción que participan en la regulación genética. [1] Los módulos reguladores Cis realizan una gran cantidad de procesamiento de información de desarrollo. [1] Los módulos reguladores Cis son grupos no aleatorios en su sitio objetivo especificado que contienen sitios de unión de factores de transcripción. [1]
La definición original presentaba módulos reguladores en cis como potenciadores del ADN que actúa en cis, lo que aumentaba la tasa de transcripción de un promotor vinculado . [4] Sin embargo, esta definición ha cambiado para definir los módulos reguladores cis como una secuencia de ADN con sitios de unión de factores de transcripción que están agrupados en estructuras modulares, que incluyen, entre otras, regiones de control de locus, promotores, potenciadores, silenciadores y control de límites. elementos y otros moduladores. [4]
Los módulos regulatorios Cis se pueden dividir en tres clases; potenciadores , que regulan positivamente la expresión genética; [1] aisladores , que funcionan indirectamente interactuando con otros módulos reguladores cis cercanos; y [1] silenciadores que desactivan la expresión de genes. [1]
El diseño de los módulos reguladores cis es tal que los factores de transcripción y las modificaciones epigenéticas sirven como entradas, y la salida del módulo es la orden dada a la maquinaria de transcripción, que a su vez determina la tasa de transcripción genética o si se activa o no. apagado . [1] Hay dos tipos de entradas de factores de transcripción: las que determinan cuándo se expresará el gen diana y las que sirven como impulsores funcionales , que entran en juego sólo durante situaciones específicas durante el desarrollo. [1] Estas entradas pueden provenir de diferentes puntos temporales, pueden representar diferentes ligandos de señal o pueden provenir de diferentes dominios o linajes de células. Sin embargo, todavía queda mucho por saber. [ cita necesaria ]
Además, la regulación de la estructura de la cromatina y la organización nuclear también desempeñan un papel en la determinación y control de la función de los módulos reguladores cis. [4] Por lo tanto, las funciones de regulación genética (GRF) proporcionan una característica única de un módulo regulador cis (CRM), relacionando las concentraciones de factores de transcripción (entrada) con las actividades del promotor (salida). El desafío es predecir los GRF. Este desafío sigue sin resolverse. En general, las funciones de regulación genética no utilizan la lógica booleana , [2] aunque en algunos casos la aproximación de la lógica booleana sigue siendo muy útil. [ cita necesaria ]
Dentro del supuesto de la lógica booleana, los principios que guían el funcionamiento de estos módulos incluyen el diseño del módulo que determina la función reguladora. En relación con el desarrollo, estos módulos pueden generar resultados tanto positivos como negativos. La salida de cada módulo es producto de las diversas operaciones realizadas en él. Las operaciones comunes incluyen la puerta OR (este diseño indica que se dará una salida cuando se proporcione cualquiera de las entradas [3]) y la puerta AND (en este diseño se necesitan dos factores regulatorios diferentes para garantizar que se obtenga una salida positiva). [1] "Interruptores de palanca": este diseño ocurre cuando el ligando de señal está ausente mientras el factor de transcripción está presente; este factor de transcripción acaba actuando como represor dominante. Sin embargo, una vez que el ligando señal está presente, el papel del factor de transcripción como represor se elimina y puede ocurrir la transcripción. [1]
También pueden ocurrir otras operaciones de lógica booleana, como represores transcripcionales específicos de secuencia, que cuando se unen al módulo regulador cis conducen a una salida de cero. Además, además de la influencia de las diferentes operaciones lógicas, la salida de un módulo regulador "cis" también se verá influenciada por eventos anteriores. [1] 4) Los módulos regulatorios cis deben interactuar con otros elementos regulatorios. En su mayor parte, incluso con la presencia de superposición funcional entre los módulos reguladores cis de un gen, las entradas y salidas de los módulos tienden a no ser las mismas. [1]
Si bien el supuesto de la lógica booleana es importante para la biología de sistemas , estudios detallados muestran que, en general, la lógica de la regulación genética no es booleana. [2] Esto significa, por ejemplo, que en el caso de un módulo regulador cis regulado por dos factores de transcripción, las funciones de regulación genética determinadas experimentalmente no pueden describirse mediante las 16 funciones booleanas posibles de dos variables. Se han propuesto extensiones no booleanas de la lógica reguladora de genes para corregir este problema. [2]
Los módulos reguladores cis se pueden caracterizar por el procesamiento de la información que codifican y la organización de sus sitios de unión a factores de transcripción. Además, los módulos reguladores cis también se caracterizan por la forma en que afectan la probabilidad, proporción y tasa de transcripción. [4] Los módulos reguladores cis altamente cooperativos y coordinados se clasifican como potenciarosomas . [4] La arquitectura y la disposición de los sitios de unión de los factores de transcripción son fundamentales porque la alteración de la disposición podría cancelar la función. [4] Los módulos reguladores cis flexibles y funcionales se denominan vallas publicitarias. Su resultado transcripcional es el efecto sumatorio de los factores de transcripción unidos. [4] Los potenciadores afectan la probabilidad de que un gen se active, pero tienen poco o ningún efecto sobre la tasa. [4] El modelo de respuesta binaria actúa como un interruptor de encendido/apagado para la transcripción. Este modelo aumentará o disminuirá la cantidad de células que transcriben un gen, pero no afecta la tasa de transcripción. [4] El modelo de respuesta reostática describe módulos reguladores cis como reguladores de la tasa de iniciación de la transcripción de su gen asociado. [4]
Los promotores son CRE que consisten en secuencias de ADN relativamente cortas que incluyen el sitio donde se inicia la transcripción y la región aproximadamente 35 pb aguas arriba o aguas abajo del sitio de inicio (pb). [5] En eucariotas , los promotores suelen tener los siguientes cuatro componentes: la caja TATA , un sitio de reconocimiento TFIIB , un iniciador y el elemento promotor central aguas abajo . [5] Se ha descubierto que un solo gen puede contener múltiples sitios promotores. [6] Para iniciar la transcripción del gen aguas abajo, una serie de proteínas de unión al ADN llamadas factores de transcripción (TF) deben unirse secuencialmente a esta región. [5] Sólo una vez que esta región se ha unido con el conjunto apropiado de TF y en el orden correcto, la ARN polimerasa puede unirse y comenzar a transcribir el gen.
Los potenciadores son CRE que influyen (mejoran) la transcripción de genes en la misma molécula de ADN y pueden encontrarse aguas arriba, aguas abajo, dentro de los intrones o incluso relativamente lejos del gen que regulan. Múltiples potenciadores pueden actuar de forma coordinada para regular la transcripción de un gen. [7] Varios proyectos de secuenciación de todo el genoma han revelado que los potenciadores a menudo se transcriben a ARN largo no codificante (ARNlnc) o ARN potenciador (ARNe), cuyos cambios en los niveles frecuentemente se correlacionan con los del ARNm del gen diana. [8]
Los silenciadores son CRE que pueden unirse a factores de regulación de la transcripción (proteínas) llamados represores , impidiendo así la transcripción de un gen. El término "silenciador" también puede referirse a una región en la región 3' no traducida del ARN mensajero, que se une a proteínas que suprimen la traducción de esa molécula de ARNm, pero este uso es distinto de su uso para describir una CRE. [ cita necesaria ]
Los operadores son CRE en procariotas y algunos eucariotas que existen dentro de los operones , donde pueden unirse a proteínas llamadas represores para afectar la transcripción. [ cita necesaria ]
Las CRE tienen un importante papel evolutivo. Las regiones codificantes de los genes suelen estar bien conservadas entre los organismos; sin embargo, diferentes organismos muestran una marcada diversidad fenotípica. Se ha descubierto que los polimorfismos que ocurren dentro de secuencias no codificantes tienen un efecto profundo sobre el fenotipo al alterar la expresión genética . [7] Las mutaciones que surgen dentro de un CRE pueden generar variación de expresión al cambiar la forma en que se unen los TF. Una unión más estrecha o más flexible de las proteínas reguladoras conducirá a una transcripción regulada hacia arriba o hacia abajo.
La función de una red reguladora de genes depende de la arquitectura de los nodos , cuya función depende de los múltiples módulos reguladores cis . [1] El diseño de los módulos reguladores cis puede proporcionar suficiente información para generar patrones espaciales y temporales de expresión genética. [1] Durante el desarrollo, cada dominio, donde cada dominio representa diferentes regiones espaciales del embrión, de expresión génica estará bajo el control de diferentes módulos reguladores cis . [1] El diseño de módulos regulatorios ayuda a producir retroalimentación , retroalimentación y bucles regulatorios cruzados. [9]
Los módulos reguladores cis pueden regular sus genes diana a grandes distancias. Se han propuesto varios modelos para describir la forma en que estos módulos pueden comunicarse con su gen promotor objetivo. [4] Estos incluyen el modelo de escaneo de ADN, el modelo de bucle de secuencia de ADN y el modelo de seguimiento facilitado. En el modelo de escaneo de ADN, el factor de transcripción y el complejo cofactor se forman en el módulo regulador cis y luego continúan moviéndose a lo largo de la secuencia de ADN hasta encontrar el promotor del gen objetivo. [4] En el modelo de bucle, el factor de transcripción se une al módulo regulador cis , lo que luego provoca el bucle de la secuencia de ADN y permite la interacción con el promotor del gen objetivo. El complejo factor de transcripción- cis -módulo regulador provoca el bucle de la secuencia de ADN lentamente hacia el promotor objetivo y forma una configuración en bucle estable. [4] El modelo de seguimiento facilitado combina partes de los dos modelos anteriores.
Además de determinar experimentalmente los CRM, existen varios algoritmos bioinformáticos para predecirlos. La mayoría de los algoritmos intentan buscar combinaciones significativas de sitios de unión de factores de transcripción ( sitios de unión de ADN ) en secuencias promotoras de genes coexpresados. [10] Los métodos más avanzados combinan la búsqueda de motivos significativos con la correlación en conjuntos de datos de expresión génica entre factores de transcripción y genes diana. [11] Ambos métodos se han implementado, por ejemplo, en ModuleMaster. Otros programas creados para la identificación y predicción de módulos regulatorios cis incluyen:
INSECT 2.0 [12] es un servidor web que permite buscar módulos reguladores Cis en todo el genoma. El programa se basa en la definición de restricciones estrictas entre los sitios de unión de factores de transcripción (TFBS) que componen el módulo para disminuir la tasa de falsos positivos. INSECT está diseñado para ser fácil de usar, ya que permite la recuperación automática de secuencias y varias visualizaciones y enlaces a herramientas de terceros para ayudar a los usuarios a encontrar aquellas instancias que tienen más probabilidades de ser verdaderos sitios regulatorios. El algoritmo INSECT 2.0 se publicó anteriormente y el algoritmo y la teoría detrás de él se explican en [13]
Stubb utiliza modelos ocultos de Markov para identificar grupos estadísticamente significativos de combinaciones de factores de transcripción. También utiliza un segundo genoma relacionado para mejorar la precisión de la predicción del modelo. [14]
Las redes bayesianas utilizan un algoritmo que combina predicciones de sitios y datos de expresión específicos de tejido para factores de transcripción y genes diana de interés. Este modelo también utiliza árboles de regresión para representar la relación entre el módulo regulador cis identificado y el posible conjunto vinculante de factores de transcripción. [15]
CRÈME examina grupos de sitios objetivo en busca de factores de transcripción de interés. Este programa utiliza una base de datos de sitios de unión de factores de transcripción confirmados que fueron anotados en todo el genoma humano . Se aplica un algoritmo de búsqueda al conjunto de datos para identificar posibles combinaciones de factores de transcripción, que tienen sitios de unión cercanos al promotor del conjunto de genes de interés. A continuación se analizan estadísticamente los posibles módulos regulatorios cis y se representan gráficamente las combinaciones significativas [16]
Los módulos reguladores cis activos en una secuencia genómica han sido difíciles de identificar. Los problemas de identificación surgen porque a menudo los científicos se encuentran con un pequeño conjunto de factores de transcripción conocidos, lo que dificulta la identificación de grupos estadísticamente significativos de sitios de unión de factores de transcripción. [14] Además, los altos costos limitan el uso de grandes conjuntos de mosaicos de genoma completo . [15]
Un ejemplo de secuencia reguladora que actúa en cis es el operador del operón lac . Esta secuencia de ADN está unida por el represor lac , que, a su vez, impide la transcripción de los genes adyacentes en la misma molécula de ADN. Por tanto, se considera que el operador lac "actúa en cis" sobre la regulación de los genes cercanos. El operador en sí no codifica ninguna proteína o ARN .
Por el contrario, los elementos transreguladores son factores difusibles, generalmente proteínas, que pueden modificar la expresión de genes distantes del gen que se transcribió originalmente para crearlos. Por ejemplo, un factor de transcripción que regula un gen en el cromosoma 6 podría haber sido transcrito a partir de un gen en el cromosoma 11 . El término transregulador se construye a partir de la raíz latina trans , que significa "al otro lado de".
Hay elementos cis-reguladores y trans-reguladores. Los elementos reguladores cis suelen ser sitios de unión para uno o más factores de acción trans .
En resumen, los elementos reguladores cis están presentes en la misma molécula de ADN que el gen que regulan, mientras que los elementos reguladores trans pueden regular genes distantes del gen del que fueron transcritos.