エンハンサーRNA

エンハンサーRNA （eRNA）は、エンハンサー領域のDNA配列から転写された比較的長い非コードRNA分子（50〜2000ヌクレオチド）のクラスを表します。これらは、2010年にRNA-seqやChIP-seqなどのゲノムワイド技術の使用により初めて検出されました。^{[1] [2]} eRNAは、主にサイズ、ポリアデニル化状態、および転写の方向性が異なり、1D eRNAと2D eRNAの2つの主要なクラスに分類できます。^[3]特定のeRNAの発現は、標的遺伝子の対応するエンハンサーの活性と相関しています。 ^{[4] eRNAが}シスおよびトランスの転写制御に積極的に役割を果たしていることを示唆する証拠が増えており、その作用機序は不明ですが、いくつかのモデルが提案されています。^[3]

エンハンサーが遺伝子外転写の部位として最初に発見されたのは、エンハンサーがRNAポリメラーゼII（RNA pol II）結合と非コードRNA 転写の共通領域であることを確認したゲノムワイド研究においてでした。^{[1] [2]} RNA pol IIとエンハンサーの相互作用とRNA転写産物の形成のレベルは、これらの初期研究間で大きく異なることがわかりました。明示的なクロマチンシグネチャピークを使用して、遺伝子外 RNA Pol II転写開始部位のかなりの割合（約70％）がマウスマクロファージのエンハンサー部位と重複していることがわかりました。^[5]マウスゲノム内の12,000のニューロンエンハンサーのうち、ほぼ25％の部位がRNA Pol IIに結合して転写産物を生成することがわかりました。^[6]並行した研究では、転写を誘導するために炎症性メディエーターのリポ多糖で刺激されたマウスマクロファージで、4,588の信頼性の高い遺伝子外RNA Pol II結合部位が特定されました。 ^[2] これらのeRNAは、メッセンジャーRNA（mRNA）とは異なり、ポリアデニル化による修飾がなく、一般的に短く非コードで、双方向に転写されました。その後の研究では、一方向転写によって生成された、より長くポリAテールを含む別のタイプのeRNAの転写が明らかになりました。^{[7]さらに、eRNAレベルは近くの}遺伝子のmRNAレベルと相関しており、これらの非コードエンハンサーRNA分子の潜在的な制御的および機能的役割を示唆しています。^[1]

eRNAは、遺伝子外エンハンサー領域の上流と下流のDNA配列 から転写される。^[8]これまで、いくつかのモデルエンハンサーは、 RNAポリメラーゼIIと一般的な転写因子を直接リクルートし、遺伝子プロモーターの転写開始部位の前に前開始複合体（PIC）を形成する能力があることが実証されている。特定の細胞型では、活性化エンハンサーはRNAポリメラーゼIIをリクルートする能力と、その局所配列の活性転写のためのテンプレートを提供する能力の両方があることが実証されている。^{[2] [1]}

転写の方向性に応じて、エンハンサー領域は2つの異なるタイプの非コード転写産物、1D-eRNAと2D-eRNAを生成します。開始前複合体の性質とエンハンサーにリクルートされる特定の転写因子が、生成されるeRNAのタイプを制御している可能性があります。転写後、eRNAの大部分は核内に残ります。^[9]一般に、eRNAは非常に不安定で、核エクソソームによって積極的に分解されます。すべてのエンハンサーが転写されるわけではなく、あらゆる細胞タイプにおいて、転写されないエンハンサーは転写されるエンハンサーを大幅に上回り、その数は数万単位です。^[5]

ほとんどの場合、エンハンサー領域の単方向転写により、長い（> 4kb）ポリアデニル化eRNAが生成されます。ポリA + eRNAを生成するエンハンサーは、2D-eRNAよりもクロマチンシグネチャのH3K4me1 /me3比が低くなります。 ^[7]ポリA + eRNAは、遺伝子内エンハンサーでの転写開始によって生成される長いマルチエクソンポリ転写産物（meRNA）とは異なります。これらの長い非コードRNAは、代替の最初のエクソンを除いて宿主遺伝子の構造を正確に反映していますが、コーディング能力は低いです。^[10]結果として、ポリA + 1D-eRNAは、真のエンハンサーテンプレートRNAとマルチエクソンRNAの混合グループを表す可能性があります。

エンハンサー部位での双方向転写は、比較的短い（0.5-2kb）非ポリアデニル化eRNAを生成する。ポリA-eRNAを生成するエンハンサーは、1D-eRNAよりも高いH3K4me1/me3比のクロマチンシグネチャを有する。一般に、エンハンサー転写と双方向eRNAの生成は、遺伝子転写に対するエンハンサー活性の強い相関を示している。^[11]

Arnerら^[12]は、 33種類の細胞において、異なる条件と刺激のタイミングの下で​​、 65,423個の転写されたエンハンサー（eRNAを生成する）を特定した。エンハンサーの転写は一般に転写因子の転写に先行し、転写因子の転写は一般に遺伝子のメッセンジャーRNA（mRNA）転写に先行する。

Carullo ら^{[13] は}、特定の細胞タイプであるニューロン（一次ニューロン培養から）を調べた。その結果、eRNA を生成する推定エンハンサーが 28,492 個検出された。これらの eRNA は、多くの場合、エンハンサー DNA の両方の鎖から反対方向に転写されていた。Carullo ら^[13]は、これらの培養ニューロンを使用して、特定のエンハンサー eRNA のタイミングを、その標的遺伝子のmRNAと比較した。培養ニューロンを活性化し、活性化後 0、3.75、5、7.5、15、30、60 分に RNA を単離した。これらの実験条件では、前初期遺伝子(IEG) FOSの 5 つのエンハンサーのうち 2 つ、つまり FOS エンハンサー 1 と FOS エンハンサー 3 が活性化され、eRNA (eRNA1 と eRNA3) の転写を開始することがわかった。 FOS eRNA1 と eRNA3 は刺激後 7.5 分以内に有意にアップレギュレーションされましたが、FOS mRNA は刺激後 15 分でのみアップレギュレーションされました。同様のパターンが IEG FOSbとNR4A1でも発生しており、多くの IEG ではニューロン活性化に反応して eRNA 誘導が mRNA 誘導に先行することを示しています。

いくつかのエンハンサーはeRNAを転写することなく標的遺伝子で標的プロモーターを活性化することができますが、ほとんどの活性エンハンサーは標的プロモーターの活性化中にeRNAを転写します。 ^[14]

以下に説明する eRNA の機能は、さまざまな生物系で報告されており、多くの場合、少数の特定のエンハンサーとターゲット遺伝子のペアで実証されています。ここで説明する eRNA の機能が、ほとんどの eRNA にどの程度一般化できるかは明らかではありません。

図に示されている染色体ループは、エンハンサーをその標的遺伝子のプロモーターまで運ぶもので、エンハンサーが活性化された後にエンハンサーから転写された eRNA によって方向付けられ、形成される可能性があります。

転写されたエンハンサーRNA（eRNA）はメディエータータンパク質複合体（図参照）、特にメディエーターサブユニット12（MED12 ）と相互作用し、Laiら^{[15] [16] [17} ]が研究した5つの遺伝子の場合、エンハンサーをエンハンサーの標的遺伝子のプロモーターと密接に関連させる染色体ループの形成に不可欠であると思われます。Hou とKraus ^[18]は、同様の結果を報告した他の2つの研究について説明しています。Arnoldら^[19]は、eRNAがエンハンサープロモーターループの形成に活性である別の5つの例をレビューしています。

よく研究されているeRNAの1つは、前立腺特異抗原（PSA）遺伝子のプロモーターと相互作用するエンハンサーのeRNAです。^{[20] PSA eRNAは}アンドロゲン受容体 によって強く上方制御されます。次に、高PSA eRNAはドミノ効果をもたらします。PSA eRNAは、正の転写伸長因子P-TEFbタンパク質複合体に結合して活性化し、次にRNAポリメラーゼII （RNAP II）をリン酸化して、 mRNAを生成するその活性を開始します。P-TEFbは、負の伸長因子NELF（mRNAの開始後60ヌクレオチド以内にRNAP IIを一時停止する）をリン酸化することもできます。リン酸化されたNELFはRNAP IIから放出され、RNAP IIが生産的なmRNAの進行を可能にします（図を参照）。上方制御されたPSA eRNAは、586のアンドロゲン受容体応答性遺伝子の発現を増加させます。 PSA eRNA のノックダウン、または PSA eRNA からヌクレオチドのセットを削除すると、これらの遺伝子におけるリン酸化 (活性) RNAP II の存在が減少し、転写が減少します。

負の伸長因子NELFタンパク質は、いくつかのeRNAとの直接相互作用によってRNAP IIとの相互作用から解放されることもできる。Schaukowitchら^{[21]は、2つの}前初期遺伝子（IEG）のeRNAがNELFタンパク質と直接相互作用して、これら2つの遺伝子のプロモーターで停止したRNAP IIからNELFを解放し、その後これら2つの遺伝子が発現することを示した。

さらに、eRNAは30種類もの他のタンパク質と相互作用するようです。^{[19] [17] [18]}

すべてのエンハンサーが同時に転写されるわけではなく、eRNAの転写はエンハンサー特異的な活性と相関しているという考えは、個々のeRNAがそれぞれ異なる関連する生物学的機能を果たすという考えを支持している。 ^{[3]しかし、eRNAの機能的意義についてはまだ}コンセンサスが得られていない。さらに、eRNAはエクソソームやナンセンス変異による分解によって容易に分解されるため、重要な転写調節因子としての可能性は限られている。^[22]現在までに、eRNA機能の4つの主なモデルが提案されており、^[3]それぞれが異なる一連の実験的 証拠によって裏付けられている。

複数の研究でRNAポリメラーゼIIが非常に多くの遺伝子外領域に存在することが示されているため、eRNAは単にランダムな「漏れやすい」転写産物を表し、機能的な意味を持たない可能性があります。^[5]したがって、RNAポリメラーゼIIの非特異的活性は、クロマチンがすでに開いて転写に適した状態にある部位で遺伝子外転写ノイズを許容します。開いた部位は組織特異的でもあるため、 これは組織特異的なeRNA発現さえも説明します^{[23] 。}

RNAポリメラーゼIIを介した遺伝子 転写は、ヒストンアセチルトランスフェラーゼやユークロマチン形成を促進する他のヒストン修飾因子の動員を通じて、クロマチン状態の局所的な開口を誘導する。これらの酵素の存在は、通常は離れた場所に存在するが、DNAのループを介して標的遺伝子に動員される可能性があるエンハンサー領域でのクロマチンの開口も誘導する可能性があると提案されている。^{[24]したがって、このモデルでは、eRNAは}RNAポリメラーゼII転写に応答して発現され、したがって生物学的機能を担わない。

以前の 2 つのモデルでは eRNA は機能的に重要ではないと示唆されていましたが、このメカニズムでは eRNA はシス活性を示す機能分子であるとされています。このモデルでは、eRNA は自身の合成部位で調節タンパク質を局所的にリクルートすることができます。この仮説を裏付けるように、サイクリン D1遺伝子の上流のエンハンサーから発生する転写産物は、ヒストンアセチルトランスフェラーゼのリクルートのためのアダプターとして機能すると考えられています。これらの eRNA の枯渇はサイクリン D1転写サイレンシングにつながることがわかりました。^[9]

最後のモデルは、離れた染色体位置でのeRNAによる転写制御を伴う。タンパク質複合体の差別的リクルートメントを通じて、eRNAは特定の遺伝子座の転写能力に影響を与えることができる。Evf-2は、Dlx2の発現を誘導し、次にDlx5およびDlx6エンハンサーの活性を高めることができるため、このようなトランス制御eRNAの良い例である。^[25]トランス作用eRNAはシスでも機能している可能性があり、その逆も同様である。

eRNAの検出は比較的最近（2010年）に始まり、RNAシーケンシング（RNA-seq）やクロマチン免疫沈降シーケンシング（ChIP-seq）などのゲノムワイドな調査技術の使用によって可能になりました。^[1] RNA-seqでは、検出された転写産物をバイオインフォマティクス解析によって対応するエンハンサー配列と照合することで、eRNAを直接特定できます。^{[26] [4]} ChIP-seqは、エンハンサー転写を評価する直接的な方法ではありませんが、特定のクロマチンマークが活性エンハンサーに関連付けられているため、重要な情報も提供できます。^{[27]一部のデータはまだ議論の余地がありますが、文献では、活性}エンハンサーでのヒストン翻訳後修飾の最適な組み合わせは、H2AZ、H3K27ac 、およびH3K4me3よりもH3K4me1の比率が高いというコンセンサスが得られています。^{[27] [28] [29]} ChIP実験は、転写が活発に行われている部位で見つかるRNA Pol IIを認識する抗体を用いて行うこともできる。^{[5] eRNAの実験的検出は、}エクソソーム分解とナンセンス変異による崩壊によってもたらされる内因性の安定性が低いため複雑である。^[22]比較研究では、キャップされたRNAと新生RNAを濃縮するアッセイ（核ランオンやサイズ選択などの戦略を使用）は、標準的なRNA-seqと比較して、より多くのeRNAを捕捉できることが示された。^[30]これらのアッセイには、キャップ選択を伴うグローバル/精密ランオン（GRO/PRO-cap）、キャップ付き小RNA-seq（csRNA-seq）、ネイティブ伸長転写産物キャップ解析（NET-CAGE）、および精密ランオンシーケンシング（PRO-seq）が含まれる。^{[31]それにもかかわらず、eRNAは活性}エンハンサーから発現される傾向があるという事実は、 eRNAの検出が活性エンハンサーと不活性エンハンサーを区別するための有用なツールになる可能性がある。

eRNA がエンハンサー活性化と遺伝子転写の効率に下流効果をもたらすという証拠は、その機能的能力と潜在的な重要性を示唆している。^[4]転写因子 p53 は、エンハンサー領域に結合し、p53依存的に eRNA を生成することが実証されている。^[32]癌では、p53 は腫瘍抑制において中心的な役割を果たしており、遺伝子の変異は腫瘍の 50% に現れることが示されている。^[33]これらのp53結合エンハンサー領域 (p53BER) は、細胞の増殖と生存に関与する複数の局所的および遠位の遺伝子標的と相互作用することが示されている。さらに、p53BER の活性化によって生成された eRNA は、 p53標的遺伝子の効率的な転写に必要であることが示されており、腫瘍抑制と癌における eRNA の重要な調節的役割を示唆している。一般に、eRNA の変異は、タンパク質コード RNA と比較して、腫瘍形成において同様の表現型挙動を示すことが示されている。^[34]

エンハンサーの変異はヒトの疾患に関係していると考えられていますが、エンハンサーの活性を操作する治療法は現在のところありません。エンハンサー活性の重要な構成要素として eRNA が出現したことで、 RNAiなどの強力な治療ツールが、遺伝子発現の破壊を標的とする有望な方法となる可能性があります。

• Vista エンハンサー データベース
• マウス ENCODE プロジェクトは 2012-12-13 にWayback Machineにアーカイブされました
• UCSCのENCODEプロジェクト
• ペディブ