The cellular organisation of gene expression

- Introduction

Gen expressie heeft verschillende stappen nodig om goed te kunnen werken; waaronder transcriptie, pre-mRNA splitsing en 3’- end processing. Bijna alle moleculen die hiervoor nodig zijn, zijn de afgelopen jaren bestudeerd, echter de werking van deze moleculen in een structureel frame was tot voor kort onbekend.

Wil men volledig gen expressie kunnen begrijpen, dan is het nodig de tijds- en plaats- interactie tussen de verschillende componenten te weten.

- Interphase positioning of chromosomes and genes

Chromatine is in de interfase in de kern ingepakt in de vorm van speciale territoria.

Gebleken is dat zowel de actieve als niet actieve genen vooral gepositioneerd zijn aan de buitenzijde van een chromosoom territorium. Niet-coderende delen van het chromatine zijn vooral te vinden in de binnenste regio van het territorium.

Ook werd duidelijk dat de chromatine compartimentalisatie op het niveau van het individuele chromosoom werkt en niet afhankelijk is van het aantal chromosomen.

Chromatine ondergaat precies getimede contracties en expansies gedurende de G1 en late S/G2 fase. Echter tijdens de interfase is er nauwelijks sprake van echte beweging; het chromatine maakt alleen kleine Brownse bewegingen in zijn eigen compartiment. Tijdens de interfase vinden er alleen grote veranderingen/bewegingen plaats tijdens celdifferentiatie, transcriptiesignalen, celcyclus stadium en pathologische condities.

- Localisation of transcription and pre-mRNA splicing in vivo

RNA polymerase II en verschillende splicing factoren, zijn homogeen verdeeld over het hele kernplasma; ze zijn echter geconcentreerd in zogenaamde nucleaire splitsing factoren domeinen. Deze domeinen kunnen weer onderverdeeld worden in Interchromatine Granula Clusters (IGC’s) en Perichromatine Fibrillen (PF’s). De PF’s zijn waarschijnlijk mRNA’s. De meerderheid van de 3’ processende factoren zijn te vinden door het gehele nucleaire plasma.

Actieve transcriptie sites en cotranscriptionele splicing sites zijn niet in de IGC’s te vinden maar meer aan de periferie ervan en tussen verschillende IGC’s in.

Het is nu duidelijk dat nucleaire processing plaatsvindt op de site van transcriptie in de PF’s (en dus niet in de IGC’s).

Actief getranscribeerde genen maken loops in het DNA in de periferie van een chromosoom territorium en splitsingsfactoren worden gebracht van de IGC’s naar de PF’s.

Dus een functie van splitsingsfactoren domeinen is het aanbieden van splitsingsfactoren aan transcriptie sites.

- Control of splicing factor distribution

Omdat splitsingsfactoren geredistribueerd worden bij genactivatie, impliceerd dat dat hun subnucleaire distributie gereguleerd wordt.

Dit wordt gedaan door eiwitten die rijk zijn aan serine-arginine dipeptides (RS domein) en meestal ook een of twee RNA bindende domeinen hebben. Deze eiwitten behoren vaak tot de SR splicing factoren . Soms is alleen het RS domein, dan weer het RNA bindende deel, dan weer beiden nodig voor goede lokalisatie van splitsingsfactoren.

- Phosphorylation of SR proteins (splicing factors)

RS domeinen zijn heel erg gefoforyleerd. Deze fosforylatie is goed voor de RNA bindings specificiteit van de SR proteinen; dit blijkt essentieel te zijn voor de goede voortgang van de splitsingsreactie. Fosforylatie wordt gedaan door 3 verschillende kinasen (SRPK-1, SRPK-2, Clk/Sty), welke misschien onderdeel zijn van een signaal cascade. Defosforylatie wordt gedaan door een protein fofatase (PPF-1). PPF-1 activiteit is nodig om de splitsingsfactoren te accumuleren in splitsingsfactoren domeinen.

Dus de fosforylatie staat van het SR eiwit, geeft ook aan waar ze subnucleair gedistribueerd zijn.

Inactieve pre-mRNA splitsingsfactoren bevinden zich in de IGC’s; fosforylatie van de factoren zorgt voor de release van de splitsingsfactoren naar de splicing sites. Na of gedurende de splicing, worden de factoren gedefosforyleerd en gaan terug naar de IGC’s.

- Coordination of transcription and pre-mRNA splicing in vivo

Huidige informatie duidt erop dat het transcriptie en splitsingsmechanisme zijn verbonden.

De carboxy-terminale domein (CTD) van de grote subunit van polymerase II, met zijn 17-52 YSPTSPS repeats en fosforylatie, wordt gedacht dat dit de start van transcriptionele verlenging markeert.

Als de grote subunit van polymerase II CTD arm is, dan wordt er niet efficient gespliced en ook niet goed 3’ geprocessed van in ontwikkeling zijnde transcripten.

CTD interacteert met het RS domein van SR proteinen en dient als ‘landingsbaan’ voor splicing factoren.

CTD coordineert alle grote RNA processing gebeurtenissen en de essentiele factoren die nodig zijn voor de processen zijn allen gebundeld in het RNA processosome.

- Significance of nuclear compartments

Uit in vitro studies is gebleken dat de compartimentalisatie van de kern niet noodzakelijk is voor het goed functioneren van gen transcriptie en processing.

In vivo blijkt de compartimentalisatie juist te zorgen voor een veel efficientere transcriptie en processing van genen. Dit doordat alle splicing factoren al in hoge concentraties aanwezig zijn in de nabijheid van het te transcriberen gen. Ook moeten de splicing factoren in een groot macromolekuul, het spliceosoom dat wordt door de compartimentalisatie veel makkelijker. Tevens moet de kern snel kunnen reageren op signalen van buitenaf. Clustering in domeinen moet het vergemakkelijken om snel en efficient op deze signalen te reageren.

De compartimenten zijn niet echt statische structuren, tijdens veranderingen van het genexpressie patroon kunnen dramatische veranderingen optreden van de domeinen.

- Conclusions

Chromosomen zijn niet willekeurig gerangschikt, maar nemen bepaalde gelimiteerde nucleaire volumina in beslag. Er vinden grote chromatine herrangschikkingen plaats wanneer er gen activatie plaatsvindt.

Essentiele processen voor gen transcriptie zijn in plaats en tijd gescheiden van elkaar door nucleaire subcompartimenten.