Robbins Basic Pathology / Основи на Патологията на Робинс: 1. The Cell as a Unit of Health and Disease

Английски оригинал Перевод на български

Pathology literally translates to the study of suffering (Greek pathos = suffering, logos = study); as applied to modern medicine, it is the study of disease. Virchow was certainly correct in asserting that disease originates at the cellular level, but we now realize that cellular disturbances arise from alterations in molecules (genes, proteins, and others) that influence the survival and behavior of cells. Thus, the foundation of modern pathology is understanding the cel- lular and molecular abnormalities that give rise to diseases. It is helpful to consider these abnormalities in the context of normal cellular structure and function, which is the theme of this introductory chapter.

#1

Патологията буквално се превежда като изследване на страданието (гръцки патос = страдание, логос = изследване); както се прилага в съвременната медицина, това е изследване на болестите. Вирхов със сигурност е бил прав с твърдението, че болестта произхожда от клетъчно ниво, но сега осъзнаваме, че клетъчните смущения възникват от промени в молекулите (гени, протеини и други), които влияят върху оцеляването и поведението на клетките. По този начин основата на съвременната патология е разбирането на клетъчните и молекулярните аномалии, които пораждат заболявания. Полезно е тези аномалии да се разгледат в контекста на нормалната клетъчна структура и функция, което е темата на тази уводна глава.

thegreenmarker 23.09.20 в 14:52

It is unrealistic (and even undesirable) to condense the vast and fascinating field of cell biology into a single chapter. Consequently, rather than attempting a comprehensive review, the goal here is to survey basic principles and highlight recent advances that are relevant to the mechanisms of disease that are emphasized throughout the rest of the book.

#2

Не е реалистично (а е дори и нежелателно) да се кондензира обширното и пленително поле на клетъчната биология в една глава. Следователно, вместо да се опитваме да направим изчерпателен преглед, целта тук е да изследваме основните принципи и да подчертаем последните постижения, които са от значение за механизмите на болестите, които са подчертани в останалата част от книгата.

thegreenmarker 23.09.20 в 14:52

THE GENOME

#3

The sequencing of the human genome at the beginning of the 21st century represented a landmark achievement of biomedical science. Since then, the rapidly dropping cost of sequencing and the computational capacity to analyze vast amounts of data promise to revolutionize our under- standing of health and disease. At the same time, the emerging information has also revealed a breathtaking level of complexity far beyond the linear sequencing of the genome. The potential for these new powerful tools to expand our understanding of pathogenesis and drive therapeutic innovation excites and inspires scientists and the lay public alike.

#4

Разчитането на човешкия геном в началото на 21 век беше забележително постижение на биомедицинската наука.
Оттогава цените за секвениране бързо спадат, а изчислителелен капацитет за анализ на огромни количества данни нараства, което предсказва за революция разбирането ни за здравето и болестта.
В същото време се появява нова информация, която разкрива нива на сложност спиращи дъха много отвъд линейното секвениране на генома. Потенциалът за тези нови мощни инструменти за разширяване на нашето разбиране за патогенезата и стимулиране на терапевтичните иновации вълнуват и вдъхновяват както учените и така и лаиците.

thegreenmarker 23.09.20 в 14:52

Noncoding DNA

#5

The human genome contains about 3.2 billion DNA base pairs. Yet, within the genome there are only roughly 20,000 protein-encoding genes, comprising just 1.5% of the genome. The proteins encoded by these genes are the fun- damental constituents of cells, functioning as enzymes, structural elements, and signaling molecules. Although 20,000 underestimates the actual number of proteins encoded (many genes produce multiple RNA transcripts that encode distinct protein isoforms), it is nevertheless startling that worms composed of fewer than 1000 cells— and with genomes 30-fold smaller—are also assembled from roughly 20,000 protein-encoding genes. Perhaps even more unsettling is that many of these proteins are recogniz- able homologs of molecules expressed in humans. What then separates humans from worms?

#6

Човешкият геном съдържа около 3,2 милиарда ДНК двойки бази. И все пак, в рамките на генома има само приблизително 20 000 гена, кодиращи протеини, съставляващи само 1,5% от генома. Протеините кодирани от тези гени са основните съставки на клетките, функциониращи като ензими, структурни елементи и сигнални молекули. Въпреки че стойността 20 000 подценява действителния брой кодирани протеини (много гени произвеждат множество РНК транскрипти, които кодират различни протеинови изоформи), все пак е стряскащо, че червеите, съставени от по-малко от 1000 клетки - и с 30 пъти по-малки геноми - са също формирани от протеини приблизително годирани от 20 000 гени. Още по-обезпокоително е факта, че много от протеините при червеите са разпознаваеми хомолози на протеини експресирани при хората. Какво тогава различава хората от червеите?

thegreenmarker 23.09.20 в 14:52

The answer is not completely known, but evidence sup- ports the assertion that the difference lies in the 98.5% of the human genome that does not encode proteins. The function of such long stretches of DNA (which has been called the “dark matter” of the genome) was mysterious for many years. However, it is now clear that more than 85% of the human genome is ultimately transcribed, with almost 80% being devoted to the regulation of gene expression. It follows that whereas proteins provide the building blocks and machinery required for assembling cells, tissues, and organisms, it is the noncoding regions of the genome that provide the critical “architectural planning.”

#7

Отговорът не е напълно ясен, но доказателствата подкрепят твърдението, че разликата се крие в 98,5% от човешкия геном, който не кодира протеини. Функцията на тези дълги участъци от ДНК (които са определени като „тъмната материя“ на генома) беше загадка в продължение на много години. Сега обаче е ясно, че над 85% от човешкия геном в крайна сметка се транскрибира, като почти 80% от генома е посветен на регулирането на генната експресия. От това следва, че докато протеините осигуряват градивни елементи и машини, необходими за сглобяване на клетки, тъкани и организми, именно некодиращите области на генома осигуряват критичното „архитектурно планиране“.

thegreenmarker 23.09.20 в 14:53

The major classes of functional non–protein-coding DNA sequences found in the human genome include (Fig. 1.1):

#8

Основните класове функционални не-протеин-кодиращи ДНК последователности, открити в човешкия геном, включват (фиг. 1.1):

thegreenmarker 24.09.20 в 0:21

Fig. 1.1  The organization of nuclear DNA. At the light microscopic level, the nuclear genetic material is organized into dispersed, transcriptionally active  euchromatin or densely packed, transcriptionally inactive heterochromatin; chromatin can also be mechanically connected with the nuclear membrane, and  nuclear membrane perturbation can thus influence transcription. Chromosomes (as shown) can only be visualized by light microscopy during cell division.  During mitosis, they are organized into paired chromatids connected at centromeres; the centromeres act as the locus for the formation of a kinetochore  protein complex that regulates chromosome segregation at metaphase. The telomeres are repetitive nucleotide sequences that cap the termini of chromatids  and permit repeated chromosomal replication without loss of DNA at the chromosome ends. The chromatids are organized into short “P” (“petite”) and  long “Q” (“next letter in the alphabet”) arms. The characteristic banding pattern of chromatids has been attributed to relative GC content (less GC content  in bands relative to interbands), with genes tending to localize to interband regions. Individual chromatin fibers are composed of a string of nucleosomes— DNA wound around octameric histone cores—with the nucleosomes connected via DNA linkers. Promoters are noncoding regions of DNA that initiate  gene transcription; they are on the same strand and upstream of their associated gene. Enhancers are regulatory elements that can modulate gene expression  across distances of 100 kB or more by looping back onto promoters and recruiting additional factors that are needed to drive the expression of pre-mRNA  species. The intronic sequences are subsequently spliced out of the pre-mRNA to produce the definitive message that includes exons that are translated into  protein and 3′- and 5′-untranslated regions (UTR) that may have regulatory functions. In addition to the enhancer, promoter, and UTR sequences, noncoding  elements are found throughout the genome; these include short repeats, regulatory factor binding regions, noncoding regulatory RNAs, and transposons. 

#9

Фиг. 1.1 Организация на ядрената ДНК. На светлинно микроскопско ниво ядреният генетичен материал се организира в диспергиран, транскрипционно активен еухроматин или плътно опакован, транскрипционно неактивен хетерохроматин; хроматинът може също така да бъде механично свързан с ядрената мембрана, и съответно смущения на ядрената мембрана могат да повлияят на транскрипцията. Хромозомите (както е показано) могат да се визуализират чрез светлинна микроскопия само по време на клетъчното делене. По време на митозата те са организирани в сдвоени хроматиди, свързани при центромерите си; центромерите действат като локус за образуването на кинетохорен протеинов комплекс, който регулира хромозомната сегрегация при метафазата. Теломерите са повтарящи се нуклеотидни последователности, които покриват краищата на хроматидите и позволяват многократна хромозомна репликация без загуба на ДНК в краищата на хромозомата. Хроматидите са организирани в къси „P“ („petite“ - дребни) и дълги „Q“ („следваща буква в английската азбука“) рамена. Характерният лентов вид на хроматидите е приписван на относително съдържание на GC (има по-малко GC съдържание в лентите в сравнение с междулентовите - interband - региони), като гените са склонни да се локализират в междулентовите региони. Отделните хроматинови влакна са съставени от низ от нуклеозоми - ДНК, навита около октамерни хистонови ядра - с нуклеозомите, свързани чрез ДНК линкери. Промоторите са некодиращи области на ДНК, които инициират генна транскрипция; те се намират на и преди асоциираният с тях ген. Усилвателите са регулаторни елементи, които могат да модулират генната експресия на разстояния от 100 kB или повече, като свързват като с ласо промоторите и набирайки допълнителни фактори, необходими за стимулиране на експресията на пре-иРНК. Впоследствие интронните последователности се изрязват от пре-иРНК, за да се получи окончателното съобщение, което включва само екзони, които се транслират в протеини и също така 3'- и 5'-нетранслируеми региони (untranslated regions -UTR), които могат да имат регулаторни функции. В допълнение към подобрителите, промоторите и UTR последователностите, в генома се откриват некодиращи елементи; те включват кратки повторения, места за свързване на регулаторен фактор, некодиращи регулаторни РНК и транспозони.

thegreenmarker 24.09.20 в 0:40

• Promoter and enhancer regions that bind protein tran- scription factors

#10

• Промоторни и енхансерни региони, за които се свързват протеини тип транскрипционни фактори

thegreenmarker 24.09.20 в 1:20

• Binding sites for proteins that organize and maintain higher order chromatin structures

#11

• Места за свързване на протеини, които организират и поддържат хроматиновите структури от по-високо ниво

thegreenmarker 24.09.20 в 1:21

• Noncoding regulatory RNAs. Of the 80% of the genome dedicated to regulatory functions, the vast majority is transcribed into RNAs—micro-RNAs and long noncod- ing RNAs (described later)—that are never translated into protein, but can regulate gene expression

#12

• Некодиращи регулаторни РНКи. От 80% от генома, посветен на регулаторни функции, по-голямата част се транскрибира в РНК - микро-РНК и дълги некодиращи РНК (описани по-късно) - които никога не се превръщат в протеин, но могат да регулират генната експресия

thegreenmarker 24.09.20 в 1:22

• Mobile genetic elements (e.g., transposons). Remarkably, more than one-third of the human genome is composed of such “jumping genes.” These segments can cruise around the genome, and are implicated in gene regula- tion and chromatin organization.

#13

• Мобилни генетични елементи (например транспозони). Забележително е, че повече от една трета от човешкия геном е съставен от такива „скачащи гени“. Тези сегменти могат да пътуват около генома и са замесени в регулацията на гените и организацията на хроматина.

thegreenmarker 24.09.20 в 1:23

• Special structural regions of DNA, including telomeres (chromosome ends) and centromeres (chromosome “tethers”)

#14

• Специални структурни области на ДНК, включващи теломерите (хромозомни краища) и центромерите (хромозомни „връзки“)

thegreenmarker 24.09.20 в 1:24

Importantly, many genetic variations (polymorphisms) associated with diseases are located in non–protein- coding regions of the genome. Thus, variation in gene regulation may prove to be more important in disease cau- sation than structural changes in specific proteins. Another surprise that emerged from genome sequencing is that any two humans are typically >99.5% DNA-identical (and are 99% sequence-identical with chimpanzees)! Thus, individ- ual variation, including differential susceptibility to dis- eases and environmental exposures, is encoded in <0.5% of our DNA (importantly, this still represents about 15 million base pairs).

#15

Важното е, че много генетични вариации (полиморфизми), свързани със заболявания, се намират в непротеин-кодиращите области на генома. По този начин вариацията в генната регулация може да се окаже по-важна за причиняването на заболяване, отколкото структурните промени в специфични протеини. Друга изненада, която възникна от секвенирането на генома, е, че всеки двама души обикновено са над 99,5% ДНКа идентични (и са 99% идентични на последователността с шимпанзетата)! По този начин индивидуалните вариации, включително диференциалната податливост към заболявания и експозицията на околната среда, са кодирани в под 0,5% от нашата ДНК (важно е, че това все още представлява около 15 милиона базови двойки).

thegreenmarker 24.09.20 в 1:27

The two most common forms of DNA variation in the human genome are single-nucleotide polymorphisms (SNPs) and copy number variations (CNVs).

#16

Двете най-често срещани форми на ДНК вариация в човешкия геном са еднонуклеотидни полиморфизми (single-nucleotide polymorphisms - SNPs) и вариации на броя на копията (copy number variations - CNVs).

thegreenmarker 24.09.20 в 1:28

• SNPs are variants at single nucleotide positions and are almost always biallelic (only two choices exist at a given site within the population, such as A or T). More than 6 million human SNPs have been identified, with many showing wide variation in frequency in differ- ent populations. The following features are worthy of note:

#17

• SNPs са варианти при позиции с единични нуклеотиди и почти винаги са биалелни (съществуват само два варианта на дадено място в популацията, като A или T). Идентифицирани са над 6 милиона човешки SNP, като много от тях показват широки вариации в честотата в различните популации. Следните характеристики заслужават внимание:

thegreenmarker 24.09.20 в 1:28

• SNPs occur across the genome—within exons, introns, intergenic regions, and coding regions.

#18

• SNP се срещат в целия геном - в рамките на екзони, интрони, интергенни региони и кодиращи региони.

thegreenmarker 24.09.20 в 1:29

• Roughly 1% of SNPs occur in coding regions, which is about what would be expected by chance, because coding regions comprise about 1.5% of the genome.

#19

• Около 1% от SNPs се срещат в кодиращи региони, което е приблизително очакваното, тъй като кодиращите региони съставляват около 1,5% от генома.

thegreenmarker 24.09.20 в 1:29

• SNPs located in noncoding regions can occur in regu- latory elements in the genome, thereby altering gene expression; in such instances the SNP may have a direct influence on disease susceptibility.

#20

• SNPs разположени в некодиращи региони, могат да се появят в регулаторни елементи в генома, като по този начин променят генната експресия; в такива случаи SNP може да има пряко влияние върху податливостта към болести.

thegreenmarker 24.09.20 в 1:30

SNPs can also be “neutral” variants with no effect on gene function or carrier phenotype.

#21

SNPs могат да бъдат и „неутрални“ варианти без ефект върху генната функция или фенотипа на носителя.

thegreenmarker 24.09.20 в 1:32


Even “neutral” SNPs may be useful markers if they happen to be coinherited with a disease-associated gene as a result of physical proximity. In other words, the SNP and the causative genetic factor are in linkage disequilibrium.

#22

• Дори „неутралните“ SNPs могат да бъдат полезни маркери, ако се случи да бъдат наследени със свързан с болест ген в резултат на физическа близост. С други думи, SNP и причиняващият генетичен фактор са в свързано неравновесие (linkage disequilibrium).

thegreenmarker 24.09.20 в 1:35


The effect of most SNPs on disease susceptibility is weak, and it remains to be seen if the identification of such variants, alone or in combination, can be used to develop effective strategies for disease prediction or prevention.

#23

• Ефектът на повечето SNPs върху податливостта към болести е слаб и остава да се види дали идентифицирането на такива варианти - самостоятелно или в комбинация - може да се използва за разработване на ефективни стратегии за прогнозиране или профилактика на заболявания.

thegreenmarker 24.09.20 в 1:36


CNVs are a form of genetic variation consisting of dif- ferent numbers of large contiguous stretches of DNA; these can range from 1000 base pairs to millions of base pairs. In some instances these loci are, like SNPs, bial- lelic and simply duplicated or deleted in a subset of the population. In other instances there are complex rear- rangements of genomic material, with multiple alleles in the human population. CNVs are responsible for several million base pairs of sequence difference between any wo individuals. Approximately 50% of CNVs involve
gene-coding sequences; thus, CNVs may underlie a large portion of human phenotypic diversity.

#24

• CNV са форма на генетична вариация, състояща се от различен брой големи съседни участъци на ДНК; те могат да варират от 1000 базови двойки до милиони базови двойки. В някои случаи тези локуси, подобно на SNP са биалелични и просто се дублират или изтриват в следващите поколения. В други случаи има сложни пренареждания на геномния материал с множество алели в човешката популация. CNV са отговорни разликата в последователността на няколко милиона базови двойки между двама случайно избрани човека. Приблизително 50% от CNV включват генно-кодиращи последователности; по този начин CNV могат да стоят в основата на голяма част от човешкото фенотипно разнообразие.

thegreenmarker 28.10.20 в 20:26

It is important to note that alterations in DNA sequence cannot by themselves explain the diversity of phenotypes in human populations; moreover, classical genetic inheri- tance cannot explain differing phenotypes in monozygotic twins. The answers to these conundrums probably lie in epigenetics—heritable changes in gene expression that are not caused by alterations in DNA sequence (see later).

#25

Важно е да се отбележи, че промените в ДНК последователността не могат сами по себе си да обяснят разнообразието от фенотипове в човешките популации; освен това класическата генетична наследственост не може да обясни различни фенотипове при монозиготни близнаци. Отговорите на тези загадки вероятно се крият в епигенетиката - наследствени промени в генната експресия, които не са причинени от промени в ДНК последователността (виж по-късно).

thegreenmarker 28.10.20 в 20:32

Histone Organization

#26

Хистонова организация

thegreenmarker 28.10.20 в 20:32

Even though virtually all cells in the body have the same genetic composition, differentiated cells have distinct structures and functions arising through lineage-specific programs of gene expression. Such cell type–specific differ- ences in DNA transcription and translation are regulated by epigenetic modifications that consist of several changes that profoundly influence gene expression, including:

#27

Въпреки че почти всички клетки в тялото имат същия генетичен състав, диференцирани клетки имат различни структури и функции, произтичащи от родово-специфичните програми за генната експресия. Такива специфични за типа клетки разлики в транскрипцията и транслацията на ДНК се регулират от епигенетични модификации, които се състоят от няколко промени, които оказват дълбоко влияние върху генната експресия, включително:

thegreenmarker 28.10.20 в 20:39

• Chromatin organization (Fig. 1.2).

#28

• Хроматинова организация (фиг. 1.2).

thegreenmarker 28.10.20 в 20:39

Fig. 1.2  Chromatin organization. (A) Nucleosomes are comprised of octamers of histone proteins (two each of histone subunits H2A, H2B, H3, and H4)  encircled by 1.8 loops of 147 base pairs of DNA; histone H1 sits on the 20 to 80 nucleotide linker DNA between nucleosomes and helps stabilize the overall  chromatin architecture. The histone subunits are positively charged, thus allowing the compaction of the negatively charged DNA. (B) The relative state of  DNA unwinding (and thus access for transcription factors) is regulated by histone modification, for example, by acetylation, methylation, and/or phosphoryla- tion (so-called “marks”); marks are dynamically written and erased. Certain marks such as histone acetylation “open up” the chromatin structure, whereas  others, such as methylation of particular histone residues, tend to condense the DNA and lead to gene silencing. DNA itself can also be also be methylated,  a modification that is associated with transcriptional inactivation. 

#29

Фиг. 1.2 Хроматинова организация. (А) Нуклеозомите се състоят от октамери на хистонови протеини (по две от хистоновите субединици H2A, H2B, H3 и H4), обградени от 1,8 бримки от 147 базови двойки ДНК; хистон Н1 е разположен върху 20 до 80 нуклеотидна линкерна ДНК между нуклеозомите и спомага за стабилизирането на цялостната хроматинова архитектура. Хистоновите субединици са заредени положително, като по този начин позволяват уплътняването на отрицателно заредената ДНК. (Б) Относителното състояние на отвореност на ДНК (и по този начин достъп до транскрипционни фактори) се регулира чрез химични модификации на хистоните, например чрез ацетилиране, метилиране и / или фосфорилиране (така наречените „марки“); маркировките се записват и изтриват динамично. Някои марки като хистоновото ацетилиране "отварят" хроматиновата структура, докато други, като метилиране на определени хистонови остатъци, са склонни да кондензират ДНК и да водят до заглушаване на гените маиращи се там. Самата ДНК също може да бъде метилирана, което е модификация асоциирана с транскрипционното инактивиране.

thegreenmarker 28.10.20 в 20:44

Genomic DNA is packed into nucleosomes, which are composed of 147 base pair DNA segments wrapped around a central core

#30

Геномната ДНК е опакована в нуклеозоми, които са съставени от 147 базови двойки ДНК сегменти, увити около централна сърцевина

thegreenmarker 28.10.20 в 20:44

of proteins called histones. Nucleosomes resemble beads joined by short DNA linkers; the entire structure is generically called chromatin. Importantly, the winding and compaction of chromatin in any given cell varies in different genomic regions. Thus, nuclear chromatin exists in two basic forms (visualizable by standard his- tology): (1) histochemically dense and transcriptionally inactive heterochromatin and (2) histochemically dis- persed and transcriptionally active euchromatin. Because only euchromatin permits gene expression and thereby dictates cellular identity and activity, there are a host of mechanisms that tightly regulate the state of chromatin (described below).

#31


DNA methylation. High levels of DNA methylation in gene regulatory elements typically result in chroma- tin condensation and transcriptional silencing. Like histone modifications (see later), DNA methylation is tightly regulated by methyltransferases, demethylating enzymes, and methylated-DNA-binding proteins.

#32


Histone modifying factors. Nucleosomes are highly dynamic structures regulated by an array of nuclear proteins and post-translational modifications:

#33


Chromatin remodeling complexes can reposition nucleo- somes on DNA, exposing (or obscuring) gene regula- tory elements such as promoters.

#34


“Chromatin writer” complexes carry out more than 70 different covalent histone modifications generi- cally denoted as marks. These include methylation, acetylation, and phosphorylation of specific histone amino acid residues: Histone methylation of lysines and arginines is accomplished by specific writer enzymes; methylation of histone lysine residues can lead to transcriptional activation or repression, depending on which histone residue is “marked.” Histone acetylation of lysine residues (occurring through histone acetyl transferases) tends to open up chromatin and increase transcription; histone deacetylases (HDAC) reverse this process, leading to chromatin condensation. Histone phosphorylation of serine residues can variably open or condense chromatin, to increase or decrease transcription, respectively.

#35


Histone marks are reversible through the activity of “chromatin erasers.” Other proteins function as “chro- matin readers,” binding histones that bear particular marks and thereby regulating gene expression.

#36

The mechanisms involved in the cell-specific epigenetic regulation of genomic organization and gene expression are undeniably complex. Despite the intricacies, learning to manipulate these processes will likely bear significant therapeutic benefits because many diseases are associated with inherited or acquired epigenetic alterations, and dysregulation of the “epigenome” has a central role in the genesis of benign and malignant neoplasms (Chapter 6). Moreover—unlike genetic changes—epigenetic alterations (e.g., histone acetylation and DNA methylation) are readily reversible and are therefore amenable to intervention; indeed, HDAC inhibitors and DNA methylation inhibitors are already being used in the treatment of various forms of cancer.

#37

Micro-RNA and Long Noncoding RNA

#38

Another mechanism of gene regulation depends on the functions of noncoding RNAs. As the name implies, these are encoded by genes that are transcribed but not trans- lated. Although many distinct families of noncoding RNAs exist, only two examples are discussed here: small RNA molecules called microRNAs and long noncoding RNAs >200 nucleotides in length.

#39

• Micro-RNAs (miRNAs) are relatively short RNAs (22 nucleotides on average) that function primarily to modulate the translation of target mRNAs into their corresponding proteins. Posttranscriptional silencing of gene expression by miRNA is a fundamental and evolutionarily conserved mechanism of gene regula- tion present in all eukaryotes (plants and animals). Even bacteria have a primitive version of the same general machinery that they use to protect themselves against foreign DNA (e.g., from phages and viruses).

#40

• The human genome contains almost 6000 miRNA genes, only 3.5-fold less than the number of protein-coding genes. Moreover, individual miRNAs appear to regu- late multiple protein-coding genes, allowing each miRNA to coregulate entire programs of gene expres- sion. Transcription of miRNA genes produces a primary transcript (pri-miRNA) that is processed into progres- sively smaller segments, including trimming by the enzyme Dicer. This generates mature single-stranded miRNAs of 21 to 30 nucleotides that associate with a multiprotein aggregate called RNA-induced silencing complex (RISC; Fig. 1.3). Subsequent base pairing between the miRNA strand and its target mRNA directs the RISC to either induce mRNA cleavage or to repress its translation. In this way, the target mRNA is posttran- scriptionally silenced.

#41

Taking advantage of the same pathway, small interfering RNAs (siRNAs) are short RNA sequences that can be intro- duced into cells. These serve as substrates for Dicer and interact with the RISC complex in a manner analogous to endogenous miRNAs. Synthetic siRNAs that can target specific mRNA species are therefore powerful laboratory tools to study gene function (so-called knockdown technol- ogy); they also are promising as therapeutic agents to silence pathogenic genes, e.g., oncogenes involved in neo- plastic transformation.

#42

#43

Long noncoding RNA (lncRNA). The human genome also contains a very large number of lncRNAs—at least 30,000, with the total number potentially exceeding coding mRNAs by 10- to 20-fold. lncRNAs modulate gene expression in many ways (Fig. 1.4); for example, they can bind to regions of chromatin, restricting RNA polymerase access to coding genes within the region. The best-known example of a repressive function involves XIST, which is transcribed from the X chromo- some and plays an essential role in physiologic X chro- mosome inactivation. XIST itself escapes X inactivation, but forms a repressive “cloak” on the X chromosome from which it is transcribed, resulting in gene silencing. Conversely, it has been appreciated that many enhanc- ers are sites of lncRNA synthesis, with the lncRNAs expanding transcription from gene promoters through a variety of mechanisms (Fig. 1.4). Ongoing studies are exploring the role of lncRNAs in diseases like athero- sclerosis and cancer.

#44

Fig. 1.3  Generation of microRNAs (miRNA) and their mode of action in  regulating gene function. miRNA genes are transcribed to produce a primary  miRNA (pri-miRNA), which is processed within the nucleus to form pre- miRNA  composed  of  a  single  RNA  strand  with  secondary  hairpin  loop  structures  that  form  stretches  of  double-stranded  RNA. After  this  pre- miRNA is exported out of the nucleus via specific transporter proteins, the  cytoplasmic enzyme Dicer trims the pre-miRNA to generate mature double- stranded miRNAs of 21 to 30 nucleotides. The miRNA subsequently unwinds,  and the resulting single strands are incorporated into the multiprotein RISC.  Base  pairing  between  the  single-stranded  miRNA  and  its  target  mRNA  directs RISC to either cleave the mRNA target or to repress its translation.  In either case, the target mRNA gene is silenced posttranscriptionally. 

#45

Fig. 1.4  Roles  of  long  noncoding  RNAs  (lncRNAs).  (A)  Long  noncoding 

#46

RNAs (lncRNAs) can facilitate transcription factor binding and thus promote  gene activation. (B) Conversely, lncRNAs can preemptively bind transcription  factors and thus prevent gene transcription. (C) Histone and DNA modifica- tion by acetylases or methylases (or deacetylases and demethylases) may be  directed by the binding of lncRNAs. (D) In other instances lncRNAs may act  as scaffolding to stabilize secondary or tertiary structures and/or multisub- unit complexes that influence general chromatin architecture or gene activity.  (Adapted from Wang KC, Chang HY: Molecular mechanisms of long noncoding RNAs, Mol Cell 43:904, 2011.)

#47

Gene Editing

#48

Exciting new developments that permit exquisitely specific

#49

genome editing stand to usher in an era of molecular revo- lution. These advances come from a wholly unexpected source: the discovery of clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPRs) and Cas (or CRISPR- associated genes). These are linked genetic elements that endow prokaryotes with a form of acquired immunity to phages and plasmids. Bacteria use this system to sample the DNA of infecting agents, incorporating it into the host genome as CRISPRs. CRISPRs are transcribed and pro- cessed into an RNA sequence that binds and directs the nuclease Cas9 to a sequences (e.g., a phage), leading to its cleavage and the destruction of the phage. Gene editing repurposes this process by using artificial guide RNAs (gRNAs) that bind Cas9 and are complementary to a DNA sequence of interest. Once directed to the target sequence

#50

Следваща страница →

Минутку...