Review The Evolution of Transcriptional Regulation in Eukaryotes 홍 경 원 Mol. Biol. & Phylogenet. Lab. PUSAN NATIONAL UNIVERSITY

Abstract review the evolutionary dynamics of promoter – sequences and evolutionary mechanisms. populations harbor extensive variation in promoter sequences promoter organization is much less regular than that of coding sequences. Because of the strong context dependence of transcriptional regulation, sequence inspection alone provides limited information about promoter function. Several recent reviews have argued that changes in transcriptional regulation constitute a major component of the genetic basis for phenotypic evolution Mol. Biol. & Phylogenet. Lab. PUSAN NATIONAL UNIVERSITY

Why promoters ought to contribute to phenotypic evolution Significant phenotypes: 유전자 발현 시기와 기능적으로 중요한 유전자간의 관계. ex) earlier expression of a hormone. Coordinated pleiotropy: 전사 인자의 기능이나 발현에 영향을 미치는 돌연변이는 조화된 표현형에 영향을 미친다. The “Hox paradox”: 어떻게 오소로그한 전자 조절 인자들이 다양한 개체들을 만들 수 있는가? – evolutionary reorganization of gene networks. Evolvability: 많은 프로모터들은 전체 발현을 구별되게 조절하고, 다면발현을 보이며, 전체 발현 양상을 독립적으로 조절하여 자연선택을 받기 쉽다. Mol. Biol. & Phylogenet. Lab. PUSAN NATIONAL UNIVERSITY

Promoters and Gene Expression 진핵 생물의 게놈들은 5천 – 5만 개의 유전자를 가지고 있다. 이처럼 많은 유전자 발현은 복잡한 분자들의 상호작용을 필요로한다. 프로모터는 생리적, 환경적인 조건들의 변화에 상응하여 세포형태에 따라, 생활사에 따라 전사되는 유전자들의 구성이나 비율을 조절한다. 진핵 생물은 유전자 발현 조절을위해 다양한 조절 기작을 사용하지만, 전사 수준에서 발생하는 조절이 대부분을 차지한다. 진핵 생물에서 각 유전자는 독립적으로 조절되어진다. Mol. Biol. & Phylogenet. Lab. PUSAN NATIONAL UNIVERSITY

Promoter Structure 프로모터 구조와 기능 a) 일반화된 진핵 생물의 유전자, 전사 단위의 상대적인위치, 핵심 프로모터 영역, 그리고 전사 인자 결합주위의 상대적인 위치를 보여준다. b) 이상적인 조절중인 프로모터 Mol. Biol. & Phylogenet. Lab. PUSAN NATIONAL UNIVERSITY

Mol. Biol. & Phylogenet. Lab. PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 프로모터들의 모음. 다양한 진핵생물들의 여러가지 유전자의 알려진 cis-regulatory 영역들을 보여준다. 각 로커스 맵은 동일한 크기로 그렸다. 검은 박스는 정확히 조절영역으로 결정된 것, 회색 박스는 정확하지 않은 조절 영역을 보여준다. 하얀색 박스는 엑손들을 보여주고, 굽은 화살표는 전사시작부위, 숫자들은 전체 전사 과정에 공헌하는 구별되는 조절영역들이다. 가장작은 중합효소 2 전사조절부위는 약 200-300 bp로 (A, B, J)에 보여진다. 예외적인 경우 전사의 시작부위에서 약 200kb 떨어져서 조절부위가 있는 Q이다. 전사인자 결합부위는 일반적으로 5’ 플랭킹 서열들 내에 존재한다. (E-H) 그러나 5’ UTR (P), 인트론 (L), 3’ 플랭킹에 존재하는게 Q이다. 이스트에서는 거의 모든 프로모터들이 밀집되어있다. (J) 성계의 프로모터 크기는 상당히 다르다. (D-F, I, K). 몇몇 모듈들은 한 모듈을 한번이상 조절한다. (G, K, 의 모듈3, eve 모듈 8-11). 대조적으로 몇몇 발현 도메인들은 하나의 모둘 이상에의해 조절된다. Mol. Biol. & Phylogenet. Lab. PUSAN NATIONAL UNIVERSITY

Mol. Biol. & Phylogenet. Lab. PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 결합 부위 구성의 예. 상자는 결합 특수성을 제공하는 염기서열을 가리킨다. 전사 인자이름이나 결합부위 모티프는 결합부위에서 보여진다. tx는 전사 시작 부위이다. 검은 바는 이 서열이 위치하는 부위이다. 주지할만한 점은 비록 그 영역들 내에 많은 결합부우들이 있지만, 단백질 결합에 참여하는 부위는 아주 낮다. 여러 번 보여지는 결합 부위는 컨센서스의 변이들이다. 결합 부위 사이의 공간은 기능의 열쇠를 제공한다. 약 10 bp 떨어져있는것은 어떤 조건하에서 동일한 DNA 서열에서 상호작용할 수 있다. 겹쳐진 것은 스위치로서 작용할 수 있다. Mol. Biol. & Phylogenet. Lab. PUSAN NATIONAL UNIVERSITY

Transcription factors 대부분의 전사 인자들은 유전자 패밀리들에 속한다. 각 전사인자 패밀리의 크기는 게놈에따라 상당히 틀리지만, 이 차이의 이유는 불 분명하다. 구별되는 DNA 결합 도메인은 약 12-15개가 진핵 생물에서 알려져 있다. 전사 조절의 컨텍스트 의존. 전사인자 결합부위의 기능은 항상 컨텍스터에 의존적이다. a) 한 단백질을위한 결합 부위는 여러가지 다른 조건 하에서는 기능하지 않을 것이다. b) 전사인자가 없을 경우. c) 국부적인 염색질이 응축되어있는 경우, d) 적절한 결합위를 점령당한 경우, e) 전사인자가 불활성화 된 형태로 전사할 때, f) 결합부위에 더욱 높은 촉매가 존재할 때, g) Mol. Biol. & Phylogenet. Lab. PUSAN NATIONAL UNIVERSITY

Functional domains DNA-binding domains: homeodomain, MADS box domain, Zn-finger domain, Paired-box domain and so on. Protein-Protein interaction domains: leucine zippers, pentapeptide motif of homeodomain proteins and so on. Domains that act as intracellular trafficking signals: nuclear localization signal. ligand-binding domains: specific steroid hormones * 많은 protein-DNA 결합 도메인들은 식물과 동물의 분기이전에 존재했었다. 전사 인자 패밀리들은 도메인 혼합과 특수한 도메인 상실을 겪으며 진화해 왔을 것이다. Mol. Biol. & Phylogenet. Lab. PUSAN NATIONAL UNIVERSITY

Promoter function 한 프로모터의 전사적인 작동은 단순히 결합부위의 존재에 의해 기능하는 것이 아니다. 상대적인 위치, 방향, 그리고 결합부위의 염기서열 뿐만 아니라, 그들의 인식 전사 인자와 조인자 들의 발현 등 모든 상호작용이 갖추어졌을 때 유전자의 총체적인 발현되었을 때 완성된다. 이러한 상호작용들은 복잡하고, 비선형적이며, 종종 강하게 컨텍스트 의존적이다. 우리는 염기서열의 이해만으로 전사 윤곽을 예측하는 것은 어렵다. Mol. Biol. & Phylogenet. Lab. PUSAN NATIONAL UNIVERSITY

Promoter Evolution Mol. Biol. & Phylogenet. Lab. PUSAN NATIONAL UNIVERSITY

Functional changes in promoters 작은 크기의 국소적인 돌연변이들은 결합부위를 변경, 제거 그리고 생성하고, 결합 공간을 변화 시킨다. 새로운 조절 서열들이 transposition을 통해서 프로모터내에 삽입된다. ex) 마우스의 B2 SINEs는 핵심 프로모터로써 기능을 하고, 몇몇 인간의 Alu 서열들은 호르몬 수용체로써 기능을 한다. 역전위는 새로운 프로모터들을 조립할 수 있다. 유전자 duplication은 프로모터 서열을 재조합한다. Gene conversion은 유전자 패밀리내에 전사인자들을 퍼트릴 수 있다. 이전에 유전자 조절의 기능이 없었던 서열들이 우연히 프로모터로 될 수도 있다. ex) gene duplication이후 이전에 액손이었던 것이 전사 조절자로서 기능. Mol. Biol. & Phylogenet. Lab. PUSAN NATIONAL UNIVERSITY

LTR enhancer of ERV-9 Mol. Biol. & Phylogenet. Lab. PUSAN NATIONAL UNIVERSITY

Gene expression profiles evolves in diverse ways 유전자 발현 시기의 변화. 유전자 발현의 공간적인 변화 유전자 발현 수준의 변화 외부 자극에대한 유전자 발현의 반응성 변화 성 특이적인 발현 유전자 발현의 특수한 상황을 얻거나 잃음. Mol. Biol. & Phylogenet. Lab. PUSAN NATIONAL UNIVERSITY

Mutations in trans can alter transcription in Several Ways 상위 전사 인자의 발현 속성에 영향을 주는 돌연변이 상위 전사 인자의 DNA 결합 도메인에 영향을 주는 돌연변이 상위 전사인자의 단백질-단백질 상호작용 도메인에 영향을 주는 돌연변이. Mol. Biol. & Phylogenet. Lab. PUSAN NATIONAL UNIVERSITY

Selection modes operate on promoter sequences Negative selection: 많은 deleterious 프로모터 대립인자들이 인간에서 동정되었다. Positive selection: 몇몇 프로모터 대립인자들 (hsp70)은 directional selection을 보인다. Overdominant selection: MHC 같은 세포형의 변화에 따라 selection되는 전사속성. Balancing selection: 한 종이 넓은 영역의 환경인 이형성 하에서 국소적으로 적응하는 경우. Stabilizing selection: 결합 부위가 다르지만 발현 속성은 변하지 않을 경우, 안정화 선택을 받는다. Compensatory selection: 인간에서 흥미로운 경우가 cystic fibrosis를 야기하는 CFTR의 암호화 서열 내에서 hypomorphic 대립인자가 관여한다. 몇 haplotype들은 세번째 Sp1 결합 부위가 추가된 프로모터에 또 다른 돌연변이를 포함한다. 이것은 전사를 증가 시키고, 증상을 개선하는 결과를 가진다. Mol. Biol. & Phylogenet. Lab. PUSAN NATIONAL UNIVERSITY

Challenges in studying promoter evolution Mol. Biol. & Phylogenet. Lab. PUSAN NATIONAL UNIVERSITY

Informatic approach 결합부위들을 모두 실험적으로 검증하기는 어려움으로, 결합부위 동정을위한 정보학적인 접근의 사용이 증가해왔다. 대부분의 정보학적인 접근들은 특수한 좌위나 전체 게놈에 적용하였다. 잠재적인 결합부위를 찾는 프로그램들은 (Transfac, EPD, PlantCARE, SCPD)등이 알려져 있다. 그러나 프로그램을 이용한 동정은 생물학적 기능은 없고 결합 부위와에 단순히 유사한 것들만 가진다. 이것을 보완하기위한 방법이 서로다른 종의 상동적인 염색체의 서열을 이용하는 “phylogenetic footprinting”방법이다. 근거는 결합 부위내의 염기들이 중립 선택에의해 좀더 보존되어 있을 것이라는 것이다. 이 방법은 이전에 알려지지 않은 결합부위를 찾는데 성공적이었다. Mol. Biol. & Phylogenet. Lab. PUSAN NATIONAL UNIVERSITY

Experimental determination Comparative experimental test 1) 결합부위 기능에서 변화를 동정하기 위해. 2) 다중으로 나타나는 결합 부위의 기능을 결정하기 위해서 3) 결합부위 구조의 기능적인 중요성을 이해하기 위해서 4) 언제, 어디서, 그리고 어떤 상황에서 결합부위가 기능하는지 결정하기 위해서 5) 전사적으로 알려진 차이점에 대한 유전학적인 기초를 동정하기 위해서 The difficulty of carrying out cmparative expression assay 1) 일반적으로 암호화 서열의 기능보다 프로모터 서열의 가까운 기능에 대한 비교되는 정보를 얻는것이 더욱 어려울 것이다. 2) 최소한 가까운 시일 내에는, 결합 부위 기능에대한 비교 정보는 하정되어 질 것이다. 3) 프로모터 서열의 돌연변이에 의한 기능적인 현상을 예측하는 것은 암호화 서열보다 어려울 것이다. Mol. Biol. & Phylogenet. Lab. PUSAN NATIONAL UNIVERSITY