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シス調節エレメント（ CRE）またはシス調節モジュール（ CRM ）は、近傍遺伝子の転写を調節する非コードDNA領域である。CREは遺伝子調節ネットワークの重要な構成要素であり、このネットワークは形態形成、解剖学的発達、および進化発生生物学で研究されている胚発生のその他の側面を制御している。
CREは、制御する遺伝子の近傍に存在します。CREは通常、転写因子に結合することで遺伝子転写を制御します。1つの転写因子が複数のCREに結合することで、多くの遺伝子の発現を制御することができます（多面発現）。ラテン語の接頭辞cisは「こちら側」、つまり転写される遺伝子と同じDNA分子上に存在することを意味します。
CRMは、通常100～1000塩基対の長さのDNA領域であり[1]、多数の転写因子が結合して近傍の遺伝子の発現を調節し、転写速度を調節することができます。CRMは、制御する遺伝子と同じDNA鎖上に位置することが多いため、シスと名付けられています。一方、トランスは、転写因子のように、同じ鎖上にない、あるいは遠く離れた遺伝子への影響を指します[ 1 ] 。1つのシス調節エレメントは複数の遺伝子を調節することができ[ 2 ]、逆に、1つの遺伝子は複数のシス調節モジュールを持つことができます[ 3 ] 。シス調節モジュールは、細胞内の特定の時間と場所で活性転写因子と関連する補因子を統合することによって機能し、その情報が読み取られ、出力が行われます[ 4 ] 。
CREは転写部位の上流に位置することが多いが、常にそうとは限らない。CREはトランス調節エレメント（TRE）とは対照的である。TREは転写因子をコードする。
生物のゲノムには、数百から数千もの異なる遺伝子が含まれており、それぞれが単一の産物または複数の産物をコードしています。組織の維持、エネルギーの節約、表現型の多様性の生成など、多くの理由から、遺伝子は必要なときにのみ発現することが重要です。生物が遺伝子発現を制御する最も効率的な方法は、転写レベルでの制御です。CREは、遺伝子の近くまたは内部で作用することにより、転写を制御する機能を持ちます。最もよく特徴づけられているCREの種類は、エンハンサーとプロモーターです。これらの配列要素はどちらも、転写調節因子として機能するDNAの構造領域です。
シス調節モジュールは、いくつかの機能的調節要素のタイプの1つです。調節要素は、遺伝子調節に関与する転写因子の結合部位です。[ 1 ]シス調節モジュールは、大量の発生情報処理を実行します。[ 1 ]シス調節モジュールは、指定された標的部位にある非ランダムなクラスターであり、転写因子結合部位を含んでいます。[ 1 ]
当初の定義では、シス調節モジュールは、連結したプロモーターからの転写速度を増加させるシス作用性DNAのエンハンサーとして提示されていました。[ 4 ]しかし、この定義は変更され、シス調節モジュールは、転写因子結合部位を持つDNA配列であり、遺伝子座制御領域、プロモーター、エンハンサー、サイレンサー、境界制御要素、その他の調節因子などを含むがこれらに限定されない、モジュール構造にクラスター化されているものと定義されるようになりました。[ 4 ]
シス調節モジュールは、遺伝子発現を正に調節するエンハンサー[ 1 ] 、他の近傍のシス調節モジュールと相互作用することで間接的に機能するインスレーター[1]、および遺伝子発現をオフにするサイレンサー[ 1 ]の3つのクラスに分類できます。 [ 1 ]
シス調節モジュールの設計は、転写因子とエピジェネティック修飾が入力として機能し、モジュールの出力が転写機構へのコマンドとなり、それによって遺伝子転写の速度やオン/オフが決定されるというものである。[ 1 ]転写因子の入力には、標的遺伝子の発現時期を決定するものと、発生中の特定の状況でのみ作用する機能的ドライバーとして機能するものの2種類がある。 [ 1 ]これらの入力は、異なる時点から得られたり、異なるシグナルリガンドを表したり、細胞の異なるドメインや系統から得られたりすることができる。しかし、まだ多くのことが不明のままである。
さらに、クロマチン構造と核組織の制御も、シス制御モジュールの機能の決定と制御に役割を果たします。[ 4 ]このように、遺伝子制御機能（GRF）は、転写因子の濃度（入力）とプロモーター活性（出力）を関連付けるシス制御モジュール（CRM）の独自の特性を提供します。課題はGRFを予測することです。この課題は未解決のままです。一般に、遺伝子制御機能はブール論理を使用しませんが、[ 2 ]場合によってはブール論理の近似が非常に役立ちます。
ブール論理の仮定の下では、これらのモジュールの動作を導く原理には、制御機能を決定するモジュールの設計が含まれます。開発に関して、これらのモジュールは正と負の両方の出力を生成できます。各モジュールの出力は、それに対して実行されるさまざまな操作の産物です。一般的な操作には、ORゲートがあります。この設計は、いずれかの入力が与えられたときに出力が与えられることを示しています[3]。また、ANDゲートもあります。この設計では、正の出力が得られるようにするために、2つの異なる制御因子が必要です。[ 1 ]「トグルスイッチ」 - この設計は、転写因子が存在する一方でシグナルリガンドが存在しない場合に発生します。この転写因子は最終的に優性抑制因子として機能します。しかし、シグナルリガンドが存在すると、転写因子の抑制因子としての役割は排除され、転写が行われます。[ 1 ]
配列特異的転写抑制因子など、他のブール論理演算も発生する可能性があり、これらがシス調節モジュールに結合すると出力はゼロになります。さらに、さまざまな論理演算の影響に加えて、「シス」調節モジュールの出力は、以前のイベントによっても影響を受けます。[ 1 ] 4)シス調節モジュールは、他の調節要素と相互作用する必要があります。ほとんどの場合、遺伝子のシス調節モジュール間に機能的な重複があっても、モジュールの入力と出力は同じではありません。[ 1 ]
システム生物学ではブール論理の仮定が重要であるが、詳細な研究によると、一般的に遺伝子制御の論理はブール論理ではないことが示されている。[ 2 ]これは、例えば、2つの転写因子によって制御されるシス制御モジュールの場合、実験的に決定された遺伝子制御関数は、2つの変数の16通りのブール関数では記述できないことを意味する。この問題を解決するために、遺伝子制御論理の非ブール拡張が提案されている。[ 2 ]
シス調節モジュールは、それらが符号化する情報処理と転写因子結合部位の配置によって特徴付けられます。さらに、シス調節モジュールは、転写の確率、割合、および速度に影響を与える方法によっても特徴付けられます。[ 4 ] 高度に協調的で調整されたシス調節モジュールは、エンハンソームに分類されます。[ 4 ]転写因子結合部位の構造と配置は、配置の破壊が機能を打ち消す可能性があるため、重要です。[ 4 ] 機能的に柔軟なシス調節モジュールは、ビルボードと呼ばれます。その転写出力は、結合した転写因子の総和効果です。[ 4 ] エンハンサーは、遺伝子が活性化される確率に影響を与えますが、速度にはほとんど、またはまったく影響を与えません。[ 4 ] バイナリ応答モデルは、転写のオン/オフスイッチのように機能します。このモデルは、遺伝子を転写する細胞の量を増減させますが、転写速度には影響しません。[ 4 ] レオスタティック応答モデルは、シス調節モジュールを、関連する遺伝子の転写開始速度の調節因子として記述する。[ 4 ]
プロモーターは、転写開始部位と開始部位から約 35 bp上流または下流の領域を含む比較的短い DNA 配列からなる CRE です。 [ 5 ]真核生物では、プロモーターは通常、 TATA ボックス、TFIIB認識部位、イニシエーター、および下流コアプロモーター要素の4 つのコンポーネントを持っています。[ 5 ] 1つの遺伝子に複数のプロモーター部位が含まれることがわかっています。[ 6 ] 下流遺伝子の転写を開始するには、転写因子 (TF) と呼ばれる多数の DNA 結合タンパク質がこの領域に順次結合する必要があります。[ 5 ]この領域が適切な TF セットと適切な順序で結合されて初めて、RNA ポリメラーゼが結合して遺伝子の転写を開始できます。
エンハンサーは、同じDNA分子上の遺伝子の転写に影響を与える（促進する）CREであり、制御する遺伝子の上流、下流、イントロン内、あるいは比較的遠く離れた場所にも存在する。複数のエンハンサーが協調して作用し、1つの遺伝子の転写を制御することができる。[ 7 ] ゲノムワイドシーケンスプロジェクトのいくつかでは、エンハンサーはしばしば長鎖ノンコーディングRNA（lncRNA）またはエンハンサーRNA（eRNA）に転写され、そのレベルの変化は標的遺伝子mRNAのレベルの変化と相関することが多いことが明らかになっている。[ 8 ]
サイレンサーは、リプレッサーと呼ばれる転写調節因子（タンパク質）に結合することで遺伝子の転写を阻害するCREです。「サイレンサー」という用語は、メッセンジャーRNAの3'非翻訳領域にある、そのmRNA分子の翻訳を抑制するタンパク質が結合する領域を指す場合もありますが、この用法はCREを説明する際の用法とは異なります。
オペレーターは、原核生物および一部の真核生物に存在するCREであり、オペロン内に存在し、リプレッサーと呼ばれるタンパク質と結合して転写に影響を与えることができる。
CREは進化において重要な役割を果たしている。遺伝子のコード領域は生物間でよく保存されていることが多いが、異なる生物は顕著な表現型の多様性を示す。非コード配列内で発生する多型は、遺伝子発現を変化させることで表現型に大きな影響を与えることがわかっている。[ 7 ] CRE内で発生する突然変異は、転写因子の結合方法を変えることで発現のばらつきを生み出すことができる。調節タンパク質の結合が強くなったり弱くなったりすると、転写が上方制御されたり下方制御されたりする。
遺伝子制御ネットワークの機能はノードのアーキテクチャに依存し、その機能は複数のシス制御モジュールに依存します。[ 1 ]シス制御モジュールの配置は、遺伝子発現の空間的および時間的パターンを生成するのに十分な情報を提供できます。[ 1 ]発生中、各ドメインは胚の異なる空間領域を表し、遺伝子発現の各ドメインは異なるシス制御モジュールの制御下に置かれます。[ 1 ]制御モジュールの設計は、フィードバック、フィードフォワード、およびクロス制御ループの生成に役立ちます。[ 9 ]
シス調節モジュールは、遠く離れた標的遺伝子を調節することができます。これらのモジュールが標的遺伝子プロモーターとどのように通信するかを説明するために、いくつかのモデルが提案されています。[ 4 ]これらには、DNAスキャンモデル、DNA配列ループモデル、および促進トラッキングモデルが含まれます。DNAスキャンモデルでは、転写因子と補因子の複合体がシス調節モジュールで形成され、標的遺伝子プロモーターを見つけるまでDNA配列に沿って移動し続けます。[ 4 ] ループモデルでは、転写因子がシス調節モジュールに結合し、 DNA配列のループを引き起こし、標的遺伝子プロモーターとの相互作用を可能にします。転写因子-シス調節モジュール複合体は、DNA配列を標的プロモーターに向かってゆっくりとループさせ、安定したループ構造を形成します。[ 4 ]促進トラッキングモデルは、上記の2つのモデルの一部を組み合わせたものです。
CRMを実験的に決定する以外にも、CRMを予測するための様々なバイオインフォマティクスアルゴリズムが存在する。ほとんどのアルゴリズムは、共発現遺伝子のプロモーター配列中の転写因子結合部位（ DNA結合部位）の重要な組み合わせを探索しようとする。 [ 10 ]より高度な手法では、重要なモチーフの探索と、遺伝子発現データセットにおける転写因子と標的遺伝子間の相関関係を組み合わせている。 [ 11 ]これらの手法は、例えばModuleMasterに実装されている。シス調節モジュールの同定と予測のために作成された他のプログラムには、以下のようなものがある。
INSECT 2.0 [ 12 ]は、ゲノム全体にわたってシス調節モジュールを検索できるウェブサーバーです。このプログラムは、モジュールを構成する転写因子結合部位 (TFBS) 間の厳密な制限の定義に基づいて偽陽性率を低減します。INSECT は、配列の自動取得、複数の視覚化、およびサードパーティツールへのリンクを可能にすることで、ユーザーが真の調節部位である可能性が高いインスタンスを見つけやすく設計されています。INSECT 2.0 アルゴリズムは以前に公開されており、そのアルゴリズムと理論は[ 13 ]で説明されています。
Stubbは隠れマルコフモデルを使用して、転写因子の組み合わせの統計的に有意なクラスターを特定します。また、モデルの予測精度を向上させるために、2番目の関連ゲノムも使用します。[ 14 ]
ベイズネットワークは、転写因子と対象となる標的遺伝子の部位予測と組織特異的発現データを組み合わせたアルゴリズムを使用します。このモデルは回帰木を使用して、特定されたシス調節モジュールと転写因子の結合セットの可能性との関係を示します。[ 15 ]
CRÈME は、関心のある転写因子の標的部位のクラスターを調べます。このプログラムは、ヒトゲノム全体で注釈付けされた確認済みの転写因子結合部位のデータベースを使用します。検索アルゴリズムがデータセットに適用され、関心のある遺伝子セットのプロモーターに近い結合部位を持つ転写因子の可能な組み合わせが特定されます。次に、可能なシス調節モジュールが統計的に分析され、有意な組み合わせがグラフィカルに表示されます[ 16 ] 。
ゲノム配列中の活性シス調節モジュールを特定することは困難であった。特定が困難なのは、科学者が既知の転写因子のセットが少ない場合が多く、統計的に有意な転写因子結合部位のクラスターを特定することが難しくなるためである。 [ 14 ]さらに、高コストのため、大規模な全ゲノムタイリングアレイの使用が制限されている。[ 15 ]
シス作用性調節配列の一例として、 lacオペロンのオペレーターが挙げられます。このDNA配列にはlacリプレッサーが結合し、その結果、同じDNA分子上の隣接遺伝子の転写が阻害されます。したがって、lacオペレーターは、近傍遺伝子の調節において「シス作用」すると考えられています。オペレーター自体は、タンパク質やRNAをコードしていません。
対照的に、トランス調節因子は拡散性因子（通常はタンパク質）であり、それらを生成するために最初に転写された遺伝子から離れた遺伝子の発現を修飾する可能性がある。例えば、6番染色体上の遺伝子を調節する転写因子は、それ自体が11番染色体上の遺伝子から転写されたものである可能性がある。トランス調節という用語は、ラテン語の語根trans （「反対側」を意味する）から成り立っている。
シス調節エレメントとトランス調節エレメントが存在する。シス調節エレメントは、多くの場合、1つまたは複数のトランス作用因子の結合部位である。
要約すると、シス調節エレメントは、それが調節する遺伝子と同じDNA分子上に存在するのに対し、トランス調節エレメントは、転写元の遺伝子から遠く離れた遺伝子を調節することができる。